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锂电技术篇:面向实用的高能锂离子电池负极辨别标准

来源:何向明 | 作者:admin | 分类:学术 | 时间:2021-10-01 | 浏览:513944
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何向明&李泓ACS Energy Letters:面向实用的高能锂离子电池负极辨别标准

第一作者:张浩,王莉

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几乎所有的电动汽车和七成以上的化学储能电站应用的都是锂离子电池。由于锂离子电池出色地实现了电能源的便携化,助推了我们这个信息时代,因此,三位对锂离子电池技术贡献最大的科学家获得了2019年诺贝尔化学奖。然而,便携式电子设备和电动汽车都要求锂离子电池具有更高的重量能量密度(GED),在2030年达到500 Whkg-1,即提高60%以上!在过去的20年中,各种高容量正极纷纷被开发出来并得到市场应用。而负极方面情况则相反:尽管许多比容量比石墨高两倍(如氧化物和硫化物)甚至三倍以上(如Si和P的复合材料)的新型负极成为研究热点,石墨在负极中的市场份额仍为98%。究其原因,一方面是石墨相对较低的成本、丰富的资源、较高的能量和功率密度以及稳定的循环稳定性的良好平衡。另一方面值得注意的是,对于文献报道的大多数新型负极材料,其总是报告其充电/放电电位范围,而不是其平均充电/放电电位。然而,“大容量负极”并不等于“高能电池”。与比容量相比,平均充放电电位对锂离子电池的能量密度同样至关重要。

不同负极的容量和充电/放电(锂化/脱锂)曲线彼此非常不同(见下图1),这归因于不同的反应机制——如插层、合金化还是转化反应。尽管锂离子电池大厂制造商可根据负极材料一系列参数(包括真实密度、堆积密度、平均电位、前几十个循环的库仑效率(确定N/P比)、容量、电极的厚度和尺寸等)计算电池的重量与体积能量密度,这些设计与计算是面向工业的,不适合快速评估哪种新型负极更有研究前景。因此,急需简化掉琐碎的因素,发展一种直接有效地方法供学术界筛选出更值得研究、有实用前景的负极材料的判断方法,以架起基础材料研究和电池应用之间的桥梁。

在这篇工作中,作者用LiN0.6Mn0.2Co0.2O2(NCM622,一种典型的商用高能正极)和多种主要负极材料来计算锂离子电池基于活性材料的实际重量能量密度(GED)。从这一点出发,石墨负极被视为一个标尺或一个GED指示器(见下图2~4)。计算表明,采用氧化物和硫化物负极的锂离子电池几乎不可能获得比采用石墨负极的锂离子电池更高的GED。此外,Si和P负极至少需要480和980 mAh g-1,才能确保锂离子电池分别获得更高的GED。作者展示了为什么一些负极的高理论能量密度不能转化为实际GED,并澄清了各种电池体系的理论容量和实际GED之间的差距。

  研究表明,硅碳负极的实用化克容量为600-800mAh/g。而大多数氧化物负极材料,石墨烯类负极材料等等均没有实用化的竞争力。

研究表明,低平均脱锂电位(ADP)对于高能负极是必不可少的,并且应该作为锂离子电池材料设计和电池开发的筛选标准。作者设计了一个对标图(见下图5),可用于判断一种新型负极在重量能量密度(GED)方面是否可优于石墨,或者确定其需要多少容量才能实现更高的GED。作者开发的方法可用于快速筛选出哪些负极材料值得进一步研究。文末,作者对高能锂电池设计需要考虑的主要参数进行了展望。该工作在ACS EnergyLetters上以题为“ Criterionfor identifying anodes for practically accessible high-energy-densitylithium-ion batteries”在线发表(DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01713)。

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我们摘取了文中主要的几幅图重点给大家做个介绍:

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图1 NCM622的放电曲线和一系列高容量负极的脱锂曲线

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图2 (a)石墨和(b)SnO2 负极的放电曲线,可用与不可用能量分别用绿色和黑色区域表示。(c)脱锂至2.0 V(对Li/Li+)的各种负极的能量密度,黑色和红色区域分别表示负极的比容量和能量密度。

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图3 使用NCM622充电至4.3(右半边)和4.6V(左半边,均为对Li/Li+)时,其与石墨及各种典型负极材料的锂离子电池配对成全电池的能量密度变化

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图4 负极容量对锂离子电池归一化能量密度的影响(使用NCM622作为正极,氧化物复合材料、硫化物复合材料、P复合材料和硅复合材料作为负极,分别充电至4.3 V(实线)和4.6 Vvs.Li/Li+(虚线))。锂金属基负极(0.05 V ADP)和锂合金(如Li-Sn和Li-B合金,ADP约为0.45 V)与NCM622搭配全电池,充电至4.6 V的(相对于Li/Li+)的能量计算值用红色和深绿色虚线表示。

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图5  负极的ADP与超越石墨负极以实现更高重量能量密度(GED)所需的相应容量之间的关系曲线。所有负极均与NCM622正极搭配,充电至4.6 V。NCM622正极的平均放电电位和容量分别为4.01 V和219 mAh g-1。本图可用于直接衡量某种已知ADP的负极需要有多少容量才能超越石墨的能量贡献。因此,其即是一种简单的性能判断标尺,又是一个指导某种负极容量需要做到多少才行的指示牌。

该工作发表在ACS Energy Letters(DOI:10.1021/acsenergylett.1c01713)

 原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c01713

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清华大学锂离子电池实验室团队简介:清华大学何向明课题组长期致力于锂离子电池及材料的前沿创新研究,先后承担和完成多项国家项目,包括多项国家自然科学基金面上、青年基金和重点基金项目、多项863、973项目、科技部国际合作项目等等。实验室还与美国、日本、欧洲和韩国的电池及材料公司开展合作。课题组还积极将研究成果服务于国家经济建设,先后完成多项国内企业横向技术合作项目,培养了多家头部企业的领军人才。课题组近年来发表研究论文500余篇,授权发明专利400多项。

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