電池材料研究的案例
《ESM》：鋰離子電池正極材料快充的循環性能研究
來自美國愛達荷國家實驗室等單位的研究人員結合電化學分析、老化模型和循環后檢測，介紹了快充對正極材料循環壽命的影響。在前期循環過程中，材料老化問題較小，在隨后的循環中，當疲勞機制出現時，正極開裂和表面老化問題對整體正極容量衰減和阻抗增長產生累積和/或競爭效應，其中低倍率循環下更多由開裂主導，高倍率循環下主要由材料表面老化主導。相關論文以題為“Extendedcycle life implications of fast charging for lithium-ion battery cathode”發表在EnergyStorage Materials期刊上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.001
當鋰離子電池在非快充條件下，但在其他條件（例如更高的溫度或電壓）充放電時，其機械、結構和正負極等問題已被廣泛研究，因而許多研究者開始關注快充條件下的正極材料。然而，這些研究大多是在扣式電池中進行的，研究范圍狹窄，往往不足以全面了解快充對鋰離子電池正極材料的長期影響。在快充條件下，扣式電池具有更高的阻抗，在相同操作條件下，扣式電池的極化和材料利用率明顯不同于軟包電池，因此，應該非常謹慎地以扣式電池的結果來推斷軟包電池，特別是長期老化行為。
目前關于扣式電池和全電池的快充研究，通常循環次數有限，一般認為開裂是正極老化的主要機制之一。然而，目前還沒有專門的、以正極為中心的快充研究，還不了解在什么條件下開裂成為主導，以及它是如何隨著循環而演變的。目前的文獻對長循環條件下鋰離子電池正極除開裂外的老化模式和機制沒有明確的認識，對正極方面的問題缺乏全面的了解，這使得研究人員對快充加速正極老化的程度感到困惑。
展開 研究發現電池熱失控原因在于材料表面
鋰電池已經被廣泛應用在手機、電腦和汽車上，成為了不可或缺的部件。不過，鋰電池卻也會因熱失控而自燃自爆。研究人員一直都在尋找電池過熱的原因和解決辦法，最近美國得克薩斯大學達拉斯分校的研究人員有了新的發現，鋰離子電池過熱根源并不在材料內部，而在于材料表面，提高材料穩定性才能打造高容量且安全的電池。
電池在充放電時，電池材料也在不斷衰退，所釋放的能量也會使電池熱量提升。材料科學與工程教授Kyeongjae Cho博士表示，“只有電池陰極材料的表面才是問題所在，電池內部沒有問題。”鋰電池主要由正極、負極、隔膜和電解質組成，鋰離子則通過電解質在電極兩端游移，在電池充放電時，電池表面材料會釋放氧氣，進而產生金屬鎳粉塵。但鋰離子的傳輸通道被鎳粉塵堵塞時，導致電池容量就會快速下降，隨著熱量的增加，電池起火和爆炸的幾率也會增加。
Kyeongjae Cho博士稱，可以在電池材料表面添加氧化物涂層，重新建構電池的結構，這也是保障鋰電池安全的方法之一。此舉可將電池容量提高20%至30%，改造后的電池可以經受住更長的充電時間。但問題是，研究與實驗所耗費時間會相當長。
展開 研究人員發現超離子材料 適用于電池和其他能量轉換裝置
該研究小組發現了這種具有特殊性質的材料，第一條線索是，當把這種材料加熱到華氏450-600度之間時，它會轉變為一種更對稱的分層結構。研究人員還發現，當降低溫度，然后再升到高溫區時，這種轉變是可逆的。Mercouri Kanatzidis表示：“分析結果顯示，在轉變之前，銀離子被固定在材料中有限的二維空間內。然而，在發生轉變之后，它們會左右搖擺。”雖然人們對離子在三維空間中的運動了解很多，但對其在二維空間中的運動卻知之甚少。
一段時間以來，科學家們一直在尋找一種示范性材料，以用于研究2D材料中的離子運動。這種層狀鉀銀硒材料似乎可成為其中之一。該團隊測量了離子在這種固體中的擴散方式，發現它與重鹽水電解質（已知最快的離子導體之一）相當。
現在判斷這種特殊的超離子材料是否可以得到實際應用，還為時過早。但是，這種材料馬上就可以成為設計其他具有高離子導電性和低導熱系數2D材料的關鍵平臺。MSD首席材料科學家Duck Young Chung表示：“對于設計用于電池和燃料電池的新型二維固體電解質而言，這些特性具有重要意義。”
對這種超離子材料的研究，也可能有助于設計新的熱電材料，在發電廠、工業過程甚至汽車尾氣中，將熱能轉化為電能。這些研究可用于設計用于環境凈化和水淡化的膜。
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展開 研究人員開發新型錳基正極材料 使鋰電池充放電次數翻倍
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蓋世汽車訊 據外媒報道，由香港城市大學（CityU）的科學家領導的聯合研究小組開發出一種更穩定的錳基正極材料。與現有鈷和鎳正極材料相比，新材料的容量更高，更加耐用。即使充放電次數增加一倍，也能保持90%的容量。這一發現為開發低成本、高效的鋰離子電池錳基正極材料提供了啟示。
（圖片來源：香港城市大學）
開發錳基正極材料的技術瓶頸：容量保持率低
目前，鋰離子電池使用的正極材料大多含有鈷和鎳，這兩種元素儲量不豐富，而且在開采過程中易污染環境。因此，科學家們正在尋找替代型正極材料，例如錳。
在領先錳基候選材料中，LiMnO2成本較低，更環保，而且理論容量更大。但是，這種材料在充放電循環中穩定性差，可能發生顆粒破碎、結構迅速退化和嚴重的錳溶解，導致電池容量大幅下降，并影響耐久性，使其在商業化鋰離子電池中的應用受到阻礙。
需要克服姜-泰勒畸變
香港城大物理學系助理教授劉奇博士指出，錳基材料結構不穩定的主要原因，在于原子結構中發生的姜-泰勒畸變（Jahn-Teller distortion）。在電池放電時，LiMnO2中的Mn-O鍵被拉長，稱為姜-泰勒畸變。
展開 
鋰空氣電池電極材料的設計和機理研究獲進展
鋰空氣二次電池因具有超高的理論比能量而成為國際上的研究與開發熱點，然而由于其正極復雜的氣-液-固共存的三相結構，及其在循環穩定性、能量效率等方面所存在的問題，其實際應用仍然面臨很大的挑戰，開發高效的空氣電極催化劑等材料十分迫切。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀帶領的團隊在鋰空氣電池電極材料的設計和機理研究方面取得新進展。他們針對金屬硫化物的催化惰性，以材料晶體結構修飾為手段，成功制備了具有高度晶格畸變的亞穩態金屬硫化物正極材料，具有潛在的應用價值，相關研究成果于近期發表于《納米快報》（Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00603）。
同時，他們還成功揭示了鋰空氣電池中間放電產物在氧空位位點的自催化分解反應，放電產物自催化分解現象的發現也可以為未來高效正極的設計提供新的思路和解決方案，該項成果于近期發表《納米能源》（Nano Energy, 2017, 36, 186-196. DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.04.038）。
溫兆銀團隊在前期成功合成定向結構三維二硫化鉬材料的基礎上（ACS Nano, 2015, 9 (12), 12464-12472. DOI: 10.1021/acsnano.5b05891），采用低溫液相法成功地設計了層內二硫化鉬/二硒化鉬異質結構，通過與美國伊利諾伊斯大學合作進行的球差校正掃描透射電鏡分析證明了該層狀材料層間和層內高度的晶格畸變，且沿相同晶面呈現間距不規則的特性，這種高度畸變的亞穩結構能夠顯著提升材料的催化活性。原位透射電鏡揭示了鋰離子在材料結構中的快速穿梭和傳輸。此種高活性的催化劑首次成功地實現了金屬硫化物在鋰空氣電池中的穩定深度循環，具有潛在的應用價值。
展開 OIST研究人員開發新混合材料 可提高鋰硫電池性能
為最大限度地提高電池的效率，研究人員在納米尺度上進行了研究，并發現通過采用10nm的TiN和5nm的TiO2，可以更快更多地吸收多硫化物，從而大大提高電池性能，進而使所需充電時間更短、充電間隔更長且整體壽命更長。為了更加確定，研究人員將電池運行了200次循環，發現其效率幾乎相同。
該研究的資深作者、OIST能源材料與表面科學部負責人Yabing Qi教授稱：“我們將繼續進一步優化材料以提高性能。目前已有很多人在研究鋰硫電池。這是一項非常有前景和令人興奮的技術。”
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展開 關注 | 寧波材料所高能量密度鋰電池研究取得系列進展
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。
展開 基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究
來源 |
Journal of Energy Storage
01
背景介紹
鋰離子電池在電壓、能量密度、自放電率和循環壽命方面與其他儲能電池相比具有不可替代的地位，廣泛應用于電動汽車和儲能系統中。隨著電池材料和結構的發展，鋰離子電池的能量密度也在不斷提高。隨著電池能量密度的不斷提高，對電池的熱安全性提出了更高的要求。然而，鋰離子電池的性能和壽命受溫度影響很大。低溫會減慢化學反應速率，增加內阻并降低鋰離子電池的容量。高溫加速電池結構件的老化，降低電池性能和壽命，降低熱安全性，甚至引起電池熱失控。
電池系統由許多電池單元組成，因此需要開發高性能的電池熱管理系統，使電池保持在最佳工作溫度范圍內，并將電池之間的溫差控制在一定范圍內。此外，對于大型電池，需要減小單體電池不同部位之間的溫差，以減少熱應力對電池結構的破壞。目前，鋰離子電池的熱管理技術可分為主動冷卻、被動冷卻和混合冷卻三種形式，常見的主動冷卻方式包括強制風冷和液冷。
02
成果掠影
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所田爽老師團隊針對鋰離子軟包電池模塊的溫升和溫差問題，提出了一種新型混合液體和相變材料（PCM）蜂窩結構的電池熱管理系統（BTMS）。開路電壓（OCV）、內阻、開路電壓溫度導數、比熱容和導熱系數電池的性能是通過實驗獲得的。
對比風冷、PCM冷卻和混合冷卻三種BTMS，發現使用風冷方案電池溫度超過工作溫度，而液體PCM冷卻（LPCM）的混合冷卻方案可以有效控制電池的最高溫度。
展開 Rev.綜述：離子液體及其衍生材料在鋰、鈉電池領域的研究進展
【引言】
隨著新能源技術和智能設備在全球范圍內的高速發展，鋰電池和鈉電池的創新研究已成為當前科技領域最引人矚目的焦點之一。不斷突破鋰、鈉電池電化學性能和安全性要求的關鍵在于設計開發更先進的電極、電解質及輔助材料。離子液體是完全由陰、陽離子組成的新型液體軟材料，具有幾乎不揮發、離子電導率高、熱穩定性好、不易燃、電化學窗口寬等獨特性質，不僅為能量/功率密度更高、長周期穩定性和安全性更好的新型電池材料的設計創造了新的機遇，也為已知材料制備方法的革新提供了新的可能。聚離子液體、離子凝膠和離子液體鍵合納米顆粒等離子液體衍生材料在保留離子液體多數特性的同時被賦予了其它優良性能，因而也受到了極大關注。近十年來，涉及離子液體及其衍生材料在鋰、鈉電池領域研究的論文數量始終保持快速增長的趨勢。
【成果簡介】
近日，浙江大學楊啟煒副研究員、邢華斌教授和美國橡樹嶺國家實驗室的Sheng Dai教授團隊合作，在Chemical Society Reviews 上發表了題為《Ionic liquids and derived materials for lithium and sodium batteries》的專題綜述論文，系統總結了離子液體及其衍生材料在鋰/鈉離子電池、雙離子電池、鋰/鈉-硫電池、鋰/鈉-空電池等鋰、鈉電池中的各種應用，涵蓋電極材料制備、液體電解質、固體電解質、電極/電解質界面與集流體等等不同用途，重點介紹了最近三年的研究進展。
展開 寧波材料所葛子義研究員團隊AFM：在超輕超柔有機太陽能電池領域取得重要進展
輕薄柔有機太陽能電池（OSCs）一直是新一代電源最有前途的選擇之一，特別是對于可穿戴電子系統（如電子紡織品和合成皮膚）。有機光伏材料的高消光系數和良好的延展性容許電池變得非常薄（通常低于300nm），并且與超薄塑料襯底具有良好兼容性，這引起了科研人員的極大關注。目前，新材料和新工藝的不斷涌現，使得剛性OSCs的能量轉換效率（PCE）得到迅速提高，但超薄超輕OSCs的發展仍然滯后，這極大限制了其在機械柔性方面的獨特優勢。通過三元策略在活性層中引入具有延展性的第三組分材料或增加共混膜的無定型區域，非常有利于器件中機械應力的消散，從而同時提高器件的PCE和機械柔韌性。
近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所葛子義研究員團隊在前期高效率和柔性有機太陽能電池研究的基礎上（Nature Photonics, 2015, 9, 520; Advanced Materials, 2018, 30, 1800075; Advanced Materials, 2019, 31, 201902210; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2808.）, 在高效率超輕柔OSCs領域取得新進展，通過基于超薄塑料襯底和三元共混策略獲得15.5%效率的超輕超柔OSCs原型器件，是目前公開報道的同類OSCs的最高效率之一。在沒有封裝的情況下，單位面積重量為 4.83 g m-2時單位重量功率達到了 32.07 W g-1，是目前公開報道的各種超薄柔性電池的最高單位重量功率之一。
展開 西安交大 | 鋰離子電池電極材料結構設計方面取得新進展，研究成果發表于納米領域國際權威期刊ACS N
電極材料在嵌/脫鋰過程中伴隨著體積的膨脹/收縮。這種體積效應往往會導致材料破碎失效。因此，電極材料在充放電循環過程中的結構穩定性，對電池的容量、倍率以及循環壽命等性能有著至關重要的影響。
基于二氧化硅（SiO2）作為填料可以提高復合材料機械性能這一現象，西安交通大學電氣學院牛春明千人團隊王紅康老師課題組設計并成功制備了一種SiO2增強的多孔Sb/C纖維復合材料。
利用靜電紡絲法將硅源（硅酸乙酯）、銻源（三氯化銻）和碳源（聚乙烯吡咯烷酮）制備成纖維結構，再通過熱處理一步形成了多孔碳纖維包覆SiO2和Sb納米顆粒的獨特結構。
SiO2的引入大大增強了纖維的整體結構穩定性。作為鋰離子電池負極材料，所得SiO2/Sb/C多孔纖維電極在半電池和全電池測試中均顯示了優異的電化學性能。碳纖維不但提高了電極材料的導電性，而且其多孔結構有效消納了SiO2和Sb在嵌/脫鋰過程中體積變化。
通過原位和非原位電鏡表征，進一步揭示了該材料在嵌/脫鋰過程中的結構穩定性。該工作提出的電極材料結構增強思路，即利用SiO2增強效應（Silica-Reinforcement Effect）同步實現了電極結構穩定性和儲鋰性能的雙提升，且該方法具有通用性（Materials Today Energy 2016, 1–2, 24-32；Nanoscale 2016, 8, 7595-7603）。
展開 
伯克利國家實驗室使用X射線研究發現 富鋰材料并不參與氧化還原反應
蓋世汽車訊 據外媒報道，美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員使用獨特X射線儀對富鋰電池材料進行研究。由于該材料在提高電動汽車的續航里程及延長電子設備工作時長方面具有較大潛力，因此有很多人員都在研究該材料。
研究人員將重點研究“富鋰”材料的極端示例鋰錳氧化物（Li2MnO3）。而該材料所含鋰元素為其此種材料族中之最。電池界最新研發的原則是，由于材料中的氧會參與可逆的化學“氧化還原”反應，且在該反應中，氧原子會循環失去及獲得電子，因此富鋰材料電池電極可支持高電壓、高容量運行，從而提高電池的儲存和放電能力。
（圖片來源：伯克利國家實驗室）
但此次試驗表明，電池運行期間，Li2MnO3中的氧并不參與可逆反應，相反，對該材料中錳的進一步研究表明，該材料可被循環使用的原因是第一次充電后，電池內部會發生異常，完全切換至的錳基反應，且容量較低。這一發現為富鋰材料族外高能量電極材料的探索鋪平了道路。
此外，研究團隊還對在材料表面觀察到碳酸鹽化合物的形成和消失是“部分可逆”，感到特別驚訝。這些高反應性的表面性質表明該材料可以充當催化劑，且可以促進鋰-空氣和鋰-二氧化碳電池等創新型下一代電池所需的可逆化學反應。在Li2MnO3表面觀察到的碳酸鹽化合物含有與氧原子鍵合的碳，表明富鋰材料可能是二氧化碳氣體相關反應的有效催化劑。
展開 不同流道布置的平板式固體氧化物燃料電池蠕變損傷研究
因此，SOFC各構件的總應變包括彈性應變、熱應變、塑性應變和蠕變應變，SOFC 的總應變方程表示如下
式中， t ε 是電池組材料的總應變； th ε 是熱應變，由溫差(ΔT)和熱膨脹系數計算； e ε 是彈性應變，由胡克定律計算； p ε 是塑性應變，采用與速率無關的塑性模型，該模型具有 Von Mises 屈服面且與溫度相關的力學性能和線性運動硬化模型； c ε 為蠕變應變，由 Wen-Tu 模型[19-20]控制
式中， cij ε 為蠕變應變率張量；B 和 n 為蠕變材料常數； ij S 為偏應力；σ eq 為等效應力；σ m 是靜水應力；σ1 為第一主應力；β0 是與應力相關函數；ρ 為微裂紋損傷參數；ω 為損傷量從 0 到 1，表示材料初始無損傷到裂紋產生完全失效； e ε 為等效蠕變應變；*f ε 多軸斷裂應變； f ε 為單軸蠕變斷裂應變，由單軸蠕變試驗獲得。平板式 SOFC 各部件力學性能均考慮溫度相關，即電池材料性能隨溫度 T 發生變化，其材料屬性彈性模量 E、泊松比 v、屈服強度 σ0 和熱膨脹系數 α 如表 3 所示[9]，相關蠕變參數[21]如表 4 所示。
1.2.2 邊界條件
應用于蠕變損傷計算的幾何模型與多物理場有限元模型相同，基于 ABAQUS 對平板式 SOFC 有限元模型劃分網格如圖 2 所示，采用 C3D8R 單元，共計 333 250 個單元，411 570 個節點。根據電池的實際工作狀況，由于陽極、電解質、陰極界面保持位移和應變連續，因此在各個部件之間采用 tie 操作粘接在一起；考慮電池堆的實際工作狀況，同時在平板式 SOFC 上、下連接體表面約束所有自由度，以限制其的移動。
展開 吳凡研究員、李泓研究員團隊在IF=37.4頂刊發文：固態電池——從基礎研究到產業化
在中國，中國科學院物理研究所早在 20 世紀 70 年代就開始了 SE 和 SSB 的研究。1987 年，中國科技部將 SSLB 列入 "863 "計劃的第一個重大課題。2020 年 10 月，國務院發布《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035 年）》，強調了固態動力電池技術研發和產業化的重要性。與此同時，中國汽車工程學會發布了《節能與新能源汽車技術路線圖 2.0》。在該路線圖中，高比能量電池計劃在 2025 年達到 350 Wh
kg
-1
，2030 年達到 400 Wh
kg
-1
，2035 年達到 500 Wh
kg
-1
。在這些政策的引導和政府相對的財政/政治支持下，中國的固態電池產業鏈近年來發展迅速。
圖 20.一些國家/地區與 SSLB 有關的政策。
2010 年代，日本舉全國之力和熱情開發 SSLB。新能源與產業技術綜合開發機構（NEDO）在 "先進與創新可充電電池評價材料評價技術開發 "項目的第一階段（2013-2017 年）開發了材料評價技術和標準 ASSLB 模型。在第二階段（SOLiD-EV 項目，2018-2022 年），固態電池研究投入了 100 億日元，并攻克了一些量產 SSLB 的關鍵技術，如片狀電解質/電極層和活性材料 SE 涂層。SOLiD-EV 項目的參與者包括 23 家材料、電池和汽車制造商以及 15 家公立/大學研究機構。根據 NEDO 的另一項計劃--"新一代電池科學創新研究與開發計劃 2"（RISING 2，2016-2020 年），創新電池的目標是到 2020 年比能量達到 250 Wh kg-1，到 2030 年達到 500 Wh kg-1。
展開 研究人員開發出新型可充電電池 儲存電量為當前電池的6倍
事實上，Dai和Zhu一開始沒有打算制造可充電的鈉-氯電池和鋰-氯電池，只是為了使用亞硫酰氯改進現有的電池技術。亞硫酰氯是鋰亞硫酰氯電池的主要成分之一，而鋰亞硫酰氯電池是20世紀70年代首次發明的一種一次性電池。
但在早期的一項涉及氯和氯化鈉的實驗中，斯坦福大學的研究人員注意到，一種化學物質向另一種化學物質的轉化可以穩定下來，從而實現部分可充電性。Dai稱：“我認為這不可能，但我們至少花了一年時間才真正意識到發生了什么。”
之后幾年里，該團隊闡明了該可逆化學物質，并通過對電池正極的許多不同材料進行試驗，尋找提高其效率的方法。通過使用臺灣中正大學（National Chung Cheng University of Taiwan）的Yuan-Yao Li教授和他的學生Hung-Chun Tai的先進多孔碳材料形成電極時，研究人員取得了重大突破。該碳材料具有納米球結構，且充滿許多超細孔。在實踐中，這些空心球就像一塊海綿，吸收了大量原本敏感的氯分子，并將它們儲存起來，隨后在微孔內轉化為鹽。
Zhu解釋道：“當電池充電時，氯分子被困在碳納米球的微孔中并受到保護，然后當電池需要排空或放電時，我們可以將電池放電并將氯轉化為NaCl，也就食鹽，并在多次循環中重復這個過程。目前，我們最多可以循環200次，但仍有改進的空間。”
該結果是電池設計在高能量密度方面再次取得進展。迄今為止，研究人員已實現正極材料比容量為1,200毫安時每克，而當前商用鋰離子電池的容量為200毫安時每克。”
研究人員預測該電池將會用于無法頻繁充電的場景，例如衛星或遠程傳感器。許多衛星由于電池沒電而漂浮在軌道上。但配備長壽命可充電電池的未來衛星可以配備太陽能充電器，從而多次擴展其實用性。
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