關注 | 寧波材料所高能量密度鋰電池研究取得系列進展

搞不銹鋼的

2020年12月29日 15:59

高能量密度鋰電池研究取得系列進展

鋰金屬二次電池是突破500Wh/kg能量密度的下一代電池技術的重要發展方向。相較于傳統鋰離子電池，該電池體系對正、負極材料和電解液等關鍵材料以及電池設計與構建等均提出了新的要求。具有高放電比容量（～300 mAh/g）的富鋰錳基正極材料被認為是實現這一技術目標的理想之選，但其電壓衰減、首次不可逆容量大、循環壽命不佳等問題依然突出。而金屬鋰負極的電化學沉積/溶解行為可逆性差、易于枝晶狀生長、充放電過程中體積變化大以及“死鋰”堆積等問題也亟待解決。對于電解液，則需要同時匹配新型正負極材料的需求，并平衡注液量、粘度和電導率間的關系。此外，鋰金屬二次電池的電芯設計、組裝工藝和測試規程等也無法照搬傳統鋰離子電池工藝體系，需要大量的工藝創新。因此，鋰金屬二次電池技術發展面臨著巨大挑戰。近五年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉兆平研究團隊在高能量密度鋰電池關鍵材料及體系構建等方面開展了深入探索，取得了系列進展。

研究團隊圍繞降低富鋰錳基正極材料的首次不可逆容量、循環過程中電壓衰減和氧析出等關鍵科學問題開展研究并取得系列研究結果（Nature Communications,2016,7,12108；ACS Applied Materials&Interfaces,2017,9,3661；Advanced Material Interfaces,2018,1701465；ACS Applied Materials&Interfaces,2019,14,14023；Energy Storage Materials,2019,16,220；Cell Reports Physical Sciences,2020,1,100028；Matter,2021,4,1；Energy Storage Materials,2021,3,388）。與此同時，研究團隊著力研發攻關富鋰錳基正極材料工程化技術，創建了寧波富理電池材料科技有限公司推進其產業化，率先形成了富鋰錳基正極材料中試產品供應能力。

同期，研究團隊根據實際電池要求（高可逆面積容量、低N/P比以及低注液量），針對目前存在的金屬鋰負極體積膨脹嚴重、電解液/電極界面不穩定、循環壽命短等共性問題，開展了高容量長壽命金屬鋰負極的創新研究。通過石墨烯與金屬鋰復合重構，實現了金屬鋰在石墨烯上的可控負載與高面積容量下鋰沉積穩定性的大幅提升，同時降低了循環過程中的體積膨脹，并緩解了“死鋰”層引起的傳質受阻（Advanced Energy Materials,2018,1703152；Energy Storage Materials,2018,15,226；ACS Applied Materials&Interface,2018,10,20387；Energy Storage Materials,2019,21,107；Energy Storage Materials,2019,23,693.）；還設計構筑了一系列穩定性良好的電解液/電極人造界面層，并深入探究了其作用機制（Nano Energy,2019,62:55-63；Energy Storage Materials,2019,23:418-426；Journal of Materials Chemistry A,2019,7,6267.）。

研究團隊在高安全性及耐高電壓電解液及其在鋰離子/鋰金屬電池中的應用方面也取得了重要研究進展（Electrochimica Acta,2015,151,429；Journal of Power Sources 2015,278,190；Journal of Power Sources,2018,391,113-119；Electrochimica Acta,2019,320,134633；Journal of Energy Chemistry,2020,48,375–382.）。同時，在鋰金屬二次電池電芯設計與制作工藝方面開展技術研發，申請了系列發明專利（CN201922069868.8，CN201911403350.1，CN201911418097.7，CN201911410950.0，CN201911424004.1，CN202010311146.3，CN202010065932.X，CN202010640875.3），初步建立了電池全流程工藝，并制定了鋰金屬二次電池測試與評價規程。

為進一步實現鋰金屬二次電池的長壽命目標，研究團隊通過在常規碳酸酯基電解液（1.0 M LiPF6 in EC/DMC with 2 wt.%LiPO2F2）中加入高度氟代醚類溶劑，改變鋰離子溶劑化結構，使得LiPO2F2以固體形式從電解液中析出并覆蓋在正、負極表面，有效增強了電解液/正極界面的高電壓耐受性，并同步提升鋰負極沉積行為的可逆性。結合研究團隊在鋰金屬二次電池關鍵材料及電芯工藝研發基礎，采用富鋰錳基正極材料為正極、鋰金屬為負極，應用該新型電解液體系設計構建了一款容量為3.6Ah、能量密度達430Wh/kg的新型鋰金屬二次電池，并表現出優良的循環穩定性。該最新研究結果近日發表在能源材料領域重要學術期刊ACS Energy Letters（2021,6,115-123）。

上述系列研究工作得到國家重點研發計劃項目（2016YFB100100）、國家自然科學基金項目（21703271、21773279）、中科院戰略性先導科技專項（XDA09010101）、中科院STS重點項目（KFJ-STS-ZDTP-068）、中科院國際伙伴計劃對外合作重點項目（174433KYSB20150047）、寧波市“科技創新2025”重大專項（2018B10081）和中國博士后科學基金項目（2019TQ0331、2019M662123）等項目的資助。

關注 | 寧波材料所高能量密度鋰電池研究取得系列進展的圖3

430Wh/kg鋰金屬二次電池及其電化學性能

中國科學院寧波材料技術與工程研究所

為加快國家和區域創新體系建設，發揮中國科學院作為科技國家隊的支撐引領作用，滿足長三角經濟迅猛發展和轉型升級的迫切需要，中國科學院、浙江省人民政府、寧波市人民政府三方領導高瞻遠矚，運籌帷幄，于2004年4月20日共同簽署了共建中國科學院寧波材料技術與工程研究所（簡稱寧波材料所）協議書。由此，實現了浙江省內中科院系統研究所“零”的突破，拉開了寧波材料所建設的序幕。

寧波材料所從一片農田里起步，邊規劃，邊建設，邊招人，邊科研，邊服務，艱苦創業，高效創新。2007年11月30日，寧波材料所順利通過中國科學院、浙江省、寧波市三方組織的驗收。一期建設發展得到了社會各界的好評。

近年來，寧波材料所承擔了一批國家和中科院重大任務，在固體氧化物燃料電池、碳纖維及其復合材料、石墨烯、海洋材料等方面產出了一批重大成果。至2020年9月底，共承擔了各類科研項目4000多項。累計發表論文近6000篇；2017年進入自然指數（Nature Index）排行榜全球前500強；累計申請專利近4300件（其中國際專利200多件），授權發明專利近1800件，連續七年入選全國研究機構專利十強。2018年獲得寧波市發明創新大賽金獎，2019年成為浙江省首家通過《科研組織知識產權管理規范》國家標準認證的科研機構。

寧波材料所通過實施一系列有效的人才引進培養計劃和措施，從全球引進高層次人才300多人，組建了60個創新團隊，培養了一批青年科技人才，組建了一支創新能力強、能承擔高集成度研發活動的創新團隊。目前全所員工1050人，其中院士3名，杰青7人，科技部中青年創新領軍人才3人，“萬人計劃”科技創新領軍人才4人，青年拔尖人才4人。擁有6個研究生學位授予點、2個博士后流動站，在學研究生1494人。