負(fù)極材料的案例
中科院寧波材料所：納米硅基負(fù)極材料研究取得進(jìn)展
【成果簡(jiǎn)介】
相對(duì)于傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料（372 mAh/g），硅負(fù)極材料具有極高的理論比容量（3580 mAh/g），是未來(lái)高能量密度動(dòng)力鋰離子電池負(fù)極材料首選。但硅負(fù)極材料在充放電循環(huán)過(guò)程中存在體積變化（高達(dá)3倍以上），造成硅顆粒粉化，從而引發(fā)SEI膜反復(fù)再生庫(kù)倫效率低，電接觸變差極化增大，使實(shí)際硅負(fù)極材料循環(huán)壽命和倍率性能較差。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室自2011年開(kāi)展硅基負(fù)極材料的研究開(kāi)發(fā)，已取得系列進(jìn)展。2012年報(bào)道了一種三維多孔的納米硅/石墨烯復(fù)合負(fù)極材料。近日，又報(bào)道了一種新型二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料（2D nano-Si/SiO2）。該工作利用層狀結(jié)構(gòu)CaSi2的拓?fù)滢D(zhuǎn)變，在酸性溶液中化學(xué)剝離Ca原子，留下單原子層褶皺狀硅烯，由于Si原子只存在sp3雜化，硅烯極不穩(wěn)定，在水溶液中氧化得到亞穩(wěn)態(tài)二維硅氧烯，二維硅氧烯經(jīng)過(guò)合適的熱處理?xiàng)l件脫水歧化得到二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料（2D nano-Si/SiO2），其中納米硅均勻分散于無(wú)定型硅氧化物。二維結(jié)構(gòu)可有效減少鋰離子遷移路程，納米硅和硅氧化物可有效降低了體積膨脹率，因此采用該方法制備的2D nano-Si/SiO2@C表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。該研究工作以“Two-dimensional silicon suboxides nanostructures with Si nanodomains confined in amorphous SiO2 derived from siloxene as high performance anode for Li-ion batteries”為題發(fā)表在Nano Energy上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 示意圖及性能表征
（a）硅氧烯剝離過(guò)程示意圖。
（b）硅氧烯分子結(jié)構(gòu)示意圖。
展開(kāi) 純碳負(fù)極材料可使電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)600公里續(xù)航
記者15日從科達(dá)煤炭化學(xué)研究院獲悉，一種由純碳作為主要成分的高容量高密度鋰電池用特種碳負(fù)極材料在該院?jiǎn)柺溃壳埃谶@種材料的全新電動(dòng)汽車鋰電池已經(jīng)在成都南光新能源公司正式試產(chǎn)。
據(jù)了解，在新能源電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中，鋰電池的容量(即電池單體能量密度)，完全取決于鋰離子電池負(fù)極材料的成分合成。我國(guó)首塊新能源汽車鋰電池發(fā)明人、成都南光新能源公司總工程師劉昌國(guó)博士介紹說(shuō)，鋰電池國(guó)產(chǎn)化以來(lái)，負(fù)極材料一直以天然石墨為主要成分，充電時(shí)間長(zhǎng)、單體容量密度低等技術(shù)瓶頸，致使我國(guó)新能源汽車的續(xù)航里程難破300公里極限。而從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品性能測(cè)試來(lái)看，這種由全新材料制備的鋰電池可以實(shí)現(xiàn)汽車?yán)m(xù)航里程突破600公里。
技術(shù)發(fā)明人、榆林科達(dá)煤炭化學(xué)研究院有限公司總經(jīng)理賀峰介紹道，新單體電池的儲(chǔ)能材料在研發(fā)上拋棄了傳統(tǒng)的天然石墨，通過(guò)物理方法和化學(xué)方法將純碳制成高容量高密度的鋰電池負(fù)極材料。
實(shí)驗(yàn)表明，這種全新負(fù)極材料的克容量可達(dá)2200mAh/g ，負(fù)極片壓實(shí)密度超過(guò)2.0g/cm3，配以正極用三元材料加鈷酸鋰，鋰電池的質(zhì)量能量密度可超過(guò)350Wh/kg。“此外，基于新材料的鋰電池充電時(shí)間不超過(guò)15分鐘，這更是傳統(tǒng)電池?zé)o法企及的。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，新材料電池在充電和使用過(guò)程中，溫度始終為常溫。”賀峰說(shuō)。
劉昌國(guó)表示，國(guó)內(nèi)新能源動(dòng)力電池領(lǐng)域的專家曾對(duì)國(guó)產(chǎn)鋰電池在2020年能否實(shí)現(xiàn)單體能量密度達(dá)到350Wh/kg表示過(guò)擔(dān)憂，而正在試產(chǎn)的新電池已經(jīng)超越了這一目標(biāo)。(記者張景陽(yáng))
來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)
展開(kāi) 延邊大學(xué)權(quán)波：制備硫摻雜石墨烯的新戰(zhàn)略-可用于高性能鈉離子電池負(fù)極材料
但是鈉離子的體積比鋰離子大，傳統(tǒng)的鋰電池負(fù)極材料“石墨”不能在鈉離子電池體系中工作。所以需要開(kāi)發(fā)出能用于鈉離子電池的負(fù)極材料。
成果簡(jiǎn)介：
近日，延邊大學(xué)權(quán)波博士（第一作者）和韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)電化學(xué)能源研究團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際期刊Advanced Science《尖端科學(xué)》上在線發(fā)表了題為“Solvothermal‐Derived S‐Doped Graphene as an Anode Material for Sodium‐Ion Batteries”的文章。文章利用一種新型熱處理法制備出硫摻雜石墨烯，并用于鈉離子電池負(fù)極材料。此類新型熱處理工藝制備出的硫摻雜石墨烯具有較大的層間距（~0.4 nm）、更高的無(wú)序度、和較大的比表面積（308 m2 g?1）。作為負(fù)極材料在電流密度100 mA g?1下循環(huán)300次后還保持380 mAh g?1 的比容量。即使在2.0 A g?1 大電流密度下充放電，循環(huán)1000次還保持263 mAh g?1 的比容量。此研究提供了制備碳基鈉離子電池負(fù)極材料的新策略。
圖 1熱處理法制備的硫摻雜石墨烯的形貌分析
(a)二甲基亞砜和硫摻雜石墨烯
(b)掃描電子顯微鏡圖
(c)投射電子顯微鏡圖
(d)高倍投射電子顯微鏡圖
(e)電鏡能譜分析
圖 2 表征
(a-b) X射線光電子能譜分析
(c) 拉曼光譜分析
(d) X射線衍射分析
圖 3 電化學(xué)性能分析
（a-b）充放電曲線
（c-d）循環(huán)伏安曲線
（e）不同電流密度下的循環(huán)性能圖
圖 4 電化學(xué)性能分析
（a）倍率性能圖
（b）長(zhǎng)循環(huán)圖
小結(jié)：
本文通過(guò)新型熱處理法合成了富缺陷、含硫量高、層間距大的硫摻雜石墨烯。利用實(shí)驗(yàn)室常用的有機(jī)溶劑，二甲基亞砜(DMSO)，為前驅(qū)體在高溫高壓條件下反應(yīng)，制備出了硫原子摻雜的布形狀二維納米碳材料。
展開(kāi) 廈門大學(xué)孫世剛教授：具有優(yōu)異循環(huán)和倍率性能的CoMn2O4微米球LIB負(fù)極材料
針對(duì)提升鋰離子電池長(zhǎng)壽命、快速充電的需求，設(shè)計(jì)并合成出多孔核殼結(jié)構(gòu)CoMn2O4微米球負(fù)極材料，具有優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能。運(yùn)用同步輻射XAFS研究充放電過(guò)程中CoMn2O4負(fù)極的轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理，并首次確認(rèn)CoMn2O4負(fù)極表面形成SEI的電位。
為進(jìn)一步提升鋰離子電池的能量密度，功率密度和循環(huán)壽命，開(kāi)發(fā)新型負(fù)極材料以替代商品化石墨負(fù)極具有重要意義。其中，基于轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理的過(guò)渡金屬氧化物是一類極具潛力的負(fù)極材料。
廈門大學(xué)孫世剛研究組針對(duì)鋰離子電池長(zhǎng)壽命、快速充電的要求，設(shè)計(jì)并通過(guò)共沉淀方法制備出Co0.33Mn0.66CO3前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)煅燒后獲得尺寸在3-5 μm，并具有多孔核殼結(jié)構(gòu)的CoMn2O4微米球。
XRD分析驗(yàn)證了前驅(qū)體Co0.33Mn0.66CO3的結(jié)構(gòu)與六方晶系MnCO3近似，煅燒后轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶度較高的CoMn2O4產(chǎn)物。SEM觀察到所制備產(chǎn)物為均勻分布、尺寸在3–5 μm之間的多孔微米球，TEM表征則進(jìn)一步確認(rèn)多孔微米球的核殼結(jié)構(gòu)，殼層厚度約為250 nm。BET測(cè)得多孔微米球的比表面積13 m2 g?1，平均孔徑42 nm。
Fig. 2. SEM images of Co0.33Mn0.66CO3 precursors (a, b) and the porous core–shell CoMn2O4microspheres (c,d) at different magnifications; TEM images of the porous core–shell CoMn2O4 microspheres (e, f).
展開(kāi) 
復(fù)旦大學(xué)熊煥明、王永剛：構(gòu)建“富電子區(qū)域”，碳負(fù)極材料設(shè)計(jì)的新思路
以多孔碳材料為負(fù)極，電池型電極材料為正極組成的混合型電容器件，往往具有較高的功率密度和穩(wěn)定的循環(huán)性能。然而與傳統(tǒng)的電池體系相比，較低的能量密度一直是其不可忽視的“短板”。究其原因在于正負(fù)極的容量存在巨大的差距，使得電容型碳材料的用量過(guò)多從而導(dǎo)致混合電容器體系的整體能量密度降低。為了解決此問(wèn)題，增大碳材料的比表面積，擴(kuò)大孔體積以及引入贗電容等都是常用方法，但是這些方式又可能會(huì)帶來(lái)循環(huán)壽命下降等“副作用”。而考慮到作為負(fù)極的碳材料在混合電容器中所發(fā)生的反應(yīng)過(guò)程就不難發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)其吸引陽(yáng)離子的能力就會(huì)有效改善其性能而不帶來(lái)任何負(fù)面效應(yīng)。而者其中的關(guān)鍵就在于在碳材料表面構(gòu)建足夠多的“富電子區(qū)域”。最近，復(fù)旦大學(xué)的熊煥明教授與王永剛教授課題組以碳點(diǎn)-水凝膠為前驅(qū)體，利用再溶脹-煅燒的方法成功制備了表面態(tài)“可控”的多孔碳材料。當(dāng)其用于混合電容器負(fù)極材料時(shí)，各方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。最后，作者也通過(guò)表征以及DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)，碳點(diǎn)可以高效率提供某些氮磷官能團(tuán)，而這些官能團(tuán)正是引起周圍原子變?yōu)椤案浑娮訁^(qū)域”的關(guān)鍵。因而，碳點(diǎn)類材料將會(huì)是電極材料表面態(tài)控制的“利器”。
圖1. 碳點(diǎn)-水凝膠共筑高性能多孔碳材料示意圖
以聚乙烯亞胺和植酸為前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)160℃的水熱反應(yīng)即可制備氮磷氧共摻雜的碳點(diǎn)。利用凝膠再溶脹的方法使得多孔水凝膠與碳點(diǎn)很好地融為一體。在惰性氣氛下，通過(guò)一次煅燒即形成表面含有特定官能團(tuán)的碳材料。BET測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)并不影響以水凝膠為前驅(qū)體的多孔碳的結(jié)構(gòu)，但其表面官能團(tuán)卻隨著碳點(diǎn)的引入發(fā)生了明顯的變化。這說(shuō)明量子尺寸的碳點(diǎn)作為客體部分不會(huì)改變水凝膠主體部分原有的多孔結(jié)構(gòu)但其可以作為特定官能團(tuán)（例如吡咯氮，磷酸基團(tuán)）的有效載體。而進(jìn)一步的DFT計(jì)算表面，這些特定官能團(tuán)將會(huì)成為構(gòu)建“富電子區(qū)域”的主力軍。
圖2.
展開(kāi) 南京大學(xué)：新型鎂電池負(fù)極材料！
采用金屬鎂作為負(fù)極的可充電鎂電池具有資源豐富、理論比能量高、無(wú)鋰枝晶生長(zhǎng)、安全性好、價(jià)格低廉等潛在的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于二價(jià)Mg2+的極性較大、Mg2+嵌入到正極材料中的動(dòng)力學(xué)緩慢等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了鎂電池的實(shí)際性能。到目前為止，在鎂電池中只有少數(shù)的金屬/合金型或離子嵌入型負(fù)極材料表現(xiàn)出合適的放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性。
為了改善鎂電池電極材料的綜合性能，必需對(duì)其原子結(jié)構(gòu)和表界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。電極材料中的晶格缺陷，例如氧空位，對(duì)于過(guò)渡金屬氧化物的物理和化學(xué)性質(zhì)有很大影響。電極材料中的氧空位可以促進(jìn)電子和離子的傳輸，有效提高電池的電化學(xué)性能。
化學(xué)化工學(xué)院金鐘教授和馬晶教授團(tuán)隊(duì)密切合作，提出了一種新的原子取代方法，以超薄TiS2納米片為前驅(qū)體來(lái)合成含有豐富氧空位（OVs）的超薄、多孔、黑色TiO2-x (B-TiO2-x)納米片，用于鎂電池負(fù)極材料。
圖1. B-TiO2-x超薄納米片的合成示意圖、形貌和儲(chǔ)鎂性能。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果和DFT理論計(jì)算均證實(shí)，B-TiO2-x電極材料中存在的大量OVs能夠顯著提高材料的導(dǎo)電性和提供大量的鎂離子存儲(chǔ)位點(diǎn)，并表現(xiàn)出了較快的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和優(yōu)異的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。該工作證明利用缺陷工程策略可以有效改善鎂電池電極材料的整體電化學(xué)性能。
圖2. DFT理論計(jì)算結(jié)果證實(shí)B-TiO2-x超薄納米片的氧空位有利于鎂離子存儲(chǔ)。
展開(kāi) 《AFM》：超強(qiáng)性能的石墨烯包覆氧化亞硅負(fù)極材料！
全電池在1 C下的循環(huán)性能和庫(kù)倫效率；c) D-SiO@G//LFP全電池成功點(diǎn)亮LED矩陣
總之，作者以煤炭腐殖酸為碳源，開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的原位合成高性能鋰離子電池氧化亞硅和石墨烯負(fù)極材料方法，作者用各種表征方法證實(shí)了同時(shí)發(fā)生的腐殖酸向石墨烯的轉(zhuǎn)化和氧化亞硅的歧化反應(yīng)，其中包覆良好的石墨烯層阻止了電解液與氧化亞硅顆粒之間的反應(yīng)，同時(shí)顯著提高了氧化亞硅負(fù)極的導(dǎo)電性。
《ACS AEM》：一種無(wú)害簡(jiǎn)便方法實(shí)現(xiàn)硅負(fù)極材料大規(guī)模制備！
通過(guò)噴霧干燥技術(shù)獲得的三維微球硅負(fù)極材料，可以將硅納米顆粒造粒形成二次顆粒，該材料保留了納米顆粒的優(yōu)點(diǎn)，也減少了比表面積和副反應(yīng)，并且多粒度分布可以提高電極的致密性。這種簡(jiǎn)便的方法更適合于商業(yè)應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高3D微球的性能，幾乎所有的研究都添加了碳源與硅顆粒混合，以獲得碳化硅基材料，顯然，高溫煅燒是上述過(guò)程中的必要步驟。但在熱處理過(guò)程中，基團(tuán)之間的鍵合消失，二次顆粒中僅存在碳骨架，導(dǎo)致納米硅顆粒內(nèi)部連接較弱。
水溶性聚合物羧甲基殼聚糖（CMCS）是一種兩性殼聚糖衍生物，由于其豐富的官能團(tuán)，可以提高化合物的力學(xué)性能。CMCS由于其優(yōu)異的黏附能力和豐富的原材料儲(chǔ)備，已被證明是硅負(fù)極的優(yōu)良粘結(jié)劑，此外，它的含氧基團(tuán)和含氮基團(tuán)可以提高SEI薄膜的穩(wěn)定性，并作為硅表面的涂層控制Li+均勻的傳輸。
在本工作中，作者通過(guò)一步噴霧干燥法制備了無(wú)需熱處理的含有納米硅和水溶性聚合物羧甲基殼聚糖的多尺寸3D微球硅負(fù)極材料。
展開(kāi) 寧波材料所在高比能鋰金屬負(fù)極保護(hù)研究中取得系列進(jìn)展
作為鋰金屬電池的“圣杯”負(fù)極材料，鋰金屬具有3860毫安時(shí)/克的高比容量以及最低的氧化還原電位，是實(shí)現(xiàn)未來(lái)鋰空氣、鋰硫等高能量密度體系的必需材料，也是實(shí)現(xiàn)中期目標(biāo)500瓦時(shí)/千克級(jí)儲(chǔ)能電池的首選負(fù)極材料。然而，受制于鋰金屬沉積過(guò)程中的不規(guī)則枝晶生長(zhǎng)以及鋰金屬與電解液的不可逆反應(yīng)，鋰金屬負(fù)極在循環(huán)過(guò)程中會(huì)形成極度不穩(wěn)定的電極/電解液界面，快速損耗電池容量、增加電池內(nèi)阻，導(dǎo)致鋰金屬負(fù)極在電池中的實(shí)際應(yīng)用受到諸多挑戰(zhàn)。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/45852.html
針對(duì)鋰金屬界面不穩(wěn)定的頑疾，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所新型儲(chǔ)能材料與器件團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來(lái)進(jìn)行了大量的界面保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已在前期取得顯著進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)基于鋰金屬負(fù)極的界面循環(huán)機(jī)理開(kāi)展了更深入的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，并在近期取得一系列進(jìn)展。
為了更好地理解鋰金屬的表面SEI膜化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，團(tuán)隊(duì)結(jié)合原位電化學(xué)-原子力顯微鏡，以雙（氟磺酰）亞胺鋰（LiFSI）為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了鋰鹽濃度對(duì)SEI膜形貌及力學(xué)性能的影響，并發(fā)現(xiàn)通過(guò)鹽濃度調(diào)控，可獲得不同模量及厚度的SEI膜（圖1a）。此類現(xiàn)象在不同溶劑中皆有體現(xiàn)，具有普適性。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/45841.html
通過(guò)材料優(yōu)選和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合中壓等離子體技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)與新能源所研究員葉繼春團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種碳紙/海綿碳雙層結(jié)構(gòu)，利用鋰金屬在碳紙上的低沉積電位以及海綿碳的高機(jī)械性能和電化學(xué)惰性，獲得了一種導(dǎo)向性的雙層碳結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了4毫安時(shí)/平方厘米的鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定循環(huán)（圖1b）。此外，該團(tuán)隊(duì)還制備了一種特殊的堆疊石墨烯，具備常規(guī)石墨烯無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高沉積過(guò)電勢(shì)。
展開(kāi) 硅材料在鋰電池中的應(yīng)用
[導(dǎo)讀] 目前，硅基材料已成為電池企業(yè)和鋰電材料商改善負(fù)極的最優(yōu)先選擇。現(xiàn)狀是發(fā)展大部分材料商都展開(kāi)了對(duì)硅碳復(fù)合材料做負(fù)極材料的研究和生產(chǎn)，目前只有貝特瑞和上海杉杉已進(jìn)入中試量產(chǎn)階段，大多數(shù)材料商仍處于研發(fā)之中。
隨著新能源汽車在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)續(xù)航里程要求的不斷提高，目前的材料體系明顯已無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)需求，研發(fā)新型高能量高性能材料迫在眉睫。目前，硅基材料已成為電池企業(yè)和鋰電材料商改善負(fù)極的最優(yōu)先選擇。現(xiàn)狀是發(fā)展大部分材料商都展開(kāi)了對(duì)硅碳復(fù)合材料做負(fù)極材料的研究和生產(chǎn)，目前只有貝特瑞和上海杉杉已進(jìn)入中試量產(chǎn)階段，大多數(shù)材料商仍處于研發(fā)之中。
硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行時(shí)
國(guó)內(nèi)前幾大負(fù)極材料生產(chǎn)廠商陸續(xù)對(duì)硅碳負(fù)極材料進(jìn)行布局，深圳貝特瑞和江西紫宸已率先推出多款硅碳負(fù)極材料產(chǎn)品，上海杉杉正處于硅碳負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，星城石墨已將硅碳新型負(fù)極材料作為未來(lái)產(chǎn)品研發(fā)方向。此外，電池企業(yè)中，BYD、CATL、國(guó)軒、力神、萬(wàn)向、微宏等都展開(kāi)了對(duì)硅碳負(fù)極體系的研發(fā)和試生產(chǎn)。
從目前已產(chǎn)品化的硅碳負(fù)極材料性能來(lái)看，相比于石墨負(fù)極材料而言，最大的優(yōu)勢(shì)在于比容量的提升。硅碳負(fù)極材料的最低比容量一般都超過(guò)石墨負(fù)極材料的理論比容量，貝特瑞的S1000型號(hào)硅碳負(fù)極材料的比容量更是高達(dá)1050mAh/g，盡管離硅的理論比容量4200 mAh/g仍有較大差距，但已經(jīng)是人造石墨負(fù)極材料比容量的3倍，性能有大幅度地提高。此外，硅碳負(fù)極材料的首次效率能達(dá)到90%以上，滿足應(yīng)用的要求，其他各項(xiàng)指標(biāo)也不亞于石墨負(fù)極材料。
展開(kāi) 鋰金屬負(fù)極骨架親鋰化學(xué)及材料設(shè)計(jì)
鋰金屬負(fù)極由于擁有高理論比容量（3860 mAh g-1）和低電極電位（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極-3.040 V）方面的優(yōu)勢(shì)，是下一代高比能電池負(fù)極材料的理想選擇之一。但是，鋰金屬負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用時(shí)面臨著鋰枝晶生長(zhǎng)和負(fù)極體積膨脹等難題。鋰枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中容易生成“死鋰”，造成電極活性物質(zhì)損失，不可逆地降低容量；鋰枝晶加劇電解液的分解，降低電池庫(kù)倫效率與循環(huán)壽命；更嚴(yán)重的是鋰枝晶可能刺穿電池隔膜，接觸正極，造成電池內(nèi)部短路，引發(fā)安全隱患。近年來(lái)，親鋰負(fù)極骨架設(shè)計(jì)被認(rèn)為是一種解決鋰金屬負(fù)極枝晶生長(zhǎng)和體積膨脹問(wèn)題的有效手段。如何理解負(fù)極骨架親鋰性的化學(xué)本質(zhì)和有效設(shè)計(jì)親鋰材料是鋰金屬負(fù)極發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。最近，清華化工系張強(qiáng)課題組在金屬鋰負(fù)極親鋰性理解及材料設(shè)計(jì)方面取得了一系列原創(chuàng)性進(jìn)展。
負(fù)極骨架表面鋰形核過(guò)程示意圖。溶劑化的鋰離子被吸附到負(fù)極骨架表面，與形核位點(diǎn)相互作用，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，鋰離子被還原為鋰金屬。
張強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)基于摻雜碳材料具有導(dǎo)電性好、制備容易、密度小等方面的優(yōu)勢(shì)，提出將其應(yīng)用于鋰金屬骨架材料的研究思路。為了理解碳材料摻雜位點(diǎn)親鋰性的化學(xué)本質(zhì)，該研究團(tuán)隊(duì)基于第一性原理計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征相結(jié)合的方法，提出親鋰性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：摻雜原子電負(fù)性、摻雜位點(diǎn)“局部偶極”和鋰形核過(guò)程中電荷轉(zhuǎn)移。
具體來(lái)講，雜原子與碳原子之間的電負(fù)性差異有利于形成負(fù)電中心以吸附鋰離子；“局部偶極”的形成有利于進(jìn)一步增強(qiáng)鋰離子與形核位點(diǎn)之間的離子–偶極作用；電荷轉(zhuǎn)移則是降低鋰形核能壘的必要條件之一。基于此方法預(yù)測(cè)，氧摻雜在單摻雜體系中具有最好的親鋰性，并得到了鋰金屬形核實(shí)驗(yàn)證實(shí)；相比于單摻雜體系，預(yù)測(cè)了O–B/P等雙摻雜體系具有更優(yōu)的親鋰性。
展開(kāi) 
不同老化路徑對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э匦袨橛绊憣?duì)比研究
其他三種老化衰減工況下，負(fù)極表面均出現(xiàn)了大量的沉積物，且也表現(xiàn)出孔隙堵塞的現(xiàn)象，如圖7(c)~(e)所示，主要源于負(fù)極表面SEI膜增厚反應(yīng)與電解液分解反應(yīng)。
圖7 老化電池（SOH=80%）負(fù)極材料SEM測(cè)試結(jié)果
圖8 老化電池（SOH=80%）負(fù)極材料XPS譜圖
圖9中給出了新鮮電池和老化電池的滿電態(tài)負(fù)極材料的NMR測(cè)試結(jié)果，低溫循環(huán)老化電池的負(fù)極材料在268.5ppm處出現(xiàn)了較強(qiáng)的特征峰，檢測(cè)到了金屬鋰的信號(hào)，表明低溫循環(huán)老化負(fù)極出現(xiàn)了明顯的析鋰。同樣地，常溫大倍率循環(huán)的負(fù)極材料在268.5ppm處出現(xiàn)微弱的信號(hào)峰，意味著該負(fù)極表面也有輕微的析鋰。
圖9 新鮮電池和老化電池（SOH=80%）負(fù)極材料NMR測(cè)試結(jié)果
表4給出了老化電池負(fù)極材料的過(guò)渡金屬元素ICP-OES測(cè)試結(jié)果。除了低溫循環(huán)老化，其他三種工況下，老化電池負(fù)極的Mn元素含量均出現(xiàn)了明顯的增加，尤其是常溫大倍率循環(huán)老化電池和高溫?cái)R置老化電池，表明電池內(nèi)部出現(xiàn)了正極過(guò)渡金屬離子溶解的副反應(yīng)。
表4 老化電池（SOH=80%）負(fù)極材料過(guò)渡金屬元素ICP-OES測(cè)試結(jié)果
總結(jié)上述分析，4種不同老化工況下電池的衰減機(jī)理分別如下：
-5℃/1C低溫循環(huán)老化電池的主要衰減機(jī)理為可用鋰離子損失和負(fù)極活性物質(zhì)損失，同時(shí)歐姆阻抗略微增加，主要源于負(fù)極表面析鋰副反應(yīng)及析出的金屬鋰與電解液的反應(yīng)。
展開(kāi) 硅基鋰電池是什么黑科技？東華大學(xué)該領(lǐng)域獲突破
多孔硅基復(fù)合負(fù)極材料充放電過(guò)程機(jī)理研究
第一作者朱冠家表示，這種新的設(shè)計(jì)具有眾多優(yōu)點(diǎn)：活性基質(zhì)SiOx單元與碳可以實(shí)現(xiàn)原子尺度下的復(fù)合；碳三維網(wǎng)絡(luò)有效提高了材料的導(dǎo)電性；多孔結(jié)構(gòu)既緩沖了體積膨脹，又加快了鋰離子的傳輸；在后續(xù)的循環(huán)過(guò)程中，ASD-SiOC負(fù)極可以轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高的庫(kù)倫效率。該研究表明碳分布對(duì)于保持復(fù)合負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性具有非常重要的作用，也為硅碳復(fù)合負(fù)極材料的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路，為實(shí)現(xiàn)硅碳復(fù)合負(fù)極材料的商業(yè)化應(yīng)用注入了新動(dòng)力。
課題組團(tuán)隊(duì)合影
該研究工作得到東華大學(xué)高層次人才項(xiàng)目專項(xiàng)資金、纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人才引進(jìn)和培養(yǎng)基金等基金支持和先進(jìn)纖維與低維材料國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、澳大利亞伍倫貢大學(xué)超導(dǎo)與電子材料研究所等支持。（來(lái)源：東華大學(xué)）
展開(kāi) 續(xù)航1000km？石墨烯電池？新能源汽車未來(lái)可期！
其實(shí)，電池的充放電過(guò)程就像一個(gè)裝卸貨的過(guò)程，貨物是鋰離子/原子，充電時(shí)，正極放出多少鋰原子，負(fù)極就要裝下多少鋰原子，放電過(guò)程則與之相反，單位質(zhì)量正負(fù)極材料能夠容納的鋰原子/離子數(shù)量就是比容量。
目前，三元鋰電池的正極材料比容量最高只能做到200mAh/g左右，從NCM523電池到NCM811電池，鎳含量不斷提高，就是為了提升正極材料的比容量；鋰電池負(fù)極材料則一般采用石墨，比容量的理論上限在 370mAh/g左右。
乍一看，負(fù)極材料的比容量還算富裕，但是換一個(gè)思路想想，既然電池里面的空間有限，如果把負(fù)極材料的比容量拼命提高，不就可以減少負(fù)極材料的總量，把剩下來(lái)的空間全部用來(lái)塞正極材料了嗎？要知道，目前已經(jīng)攻克的石墨烯硅碳負(fù)極材料容量已經(jīng)達(dá)到了1000mAh/g以上。
更重要的是，電池中正極材料密度比負(fù)極材料大多了（電極材料壓實(shí)密度參考值：鈷酸鋰 4.15g/cm3；人造石墨1.5g/cm3 ；磷酸鐵鋰2.2g/cm3；硅碳復(fù)合材料1.4g/cm3），結(jié)合這些數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單計(jì)算一下你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，用硅碳負(fù)極材料取代石墨后，竟然還能往電芯里塞下近一倍重量的鈷酸鋰材料，這意味著，一臺(tái)特斯拉Model 3的續(xù)航里程幾乎能達(dá)到1000km了，到那時(shí)，你還會(huì)考慮燃油車嗎？
另外，石墨烯最大的優(yōu)勢(shì)是具有超高的導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性，這里有兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，石墨烯是目前已知材料中，導(dǎo)熱性能最好的材料（5000W/mK），同時(shí)也是電阻率最低的材料 (10^(-6)Ω·cm)。
三星研發(fā)的石墨烯球（顯微結(jié)構(gòu)）
在現(xiàn)有的鋰電池看來(lái)，石墨烯簡(jiǎn)直就是一種天降的神奇材料。
展開(kāi) 新型納米硅鋰電池問(wèn)世！整車?yán)m(xù)航里程翻倍 公交車8分鐘充電超60%
同時(shí)，中國(guó)在新能源電池的核心技術(shù)方面也不斷傳來(lái)好消息，80歲的中國(guó)鋰電池第一人陳立泉帶著他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了新型的電池材料。
新型納米硅鋰電池問(wèn)世，容量是傳統(tǒng)鋰電池的5倍
80歲的中國(guó)工程院院士陳立泉是中國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)的奠基人。上世紀(jì)80年代，陳立泉和團(tuán)隊(duì)在中國(guó)率先開(kāi)展了固體電解質(zhì)和鋰二次電池研究。1996年，他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先研制出鋰離子電池，率先解決了國(guó)內(nèi)鋰離子電池規(guī)模化生產(chǎn)的科學(xué)技術(shù)與工程問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。
在江蘇溧陽(yáng)，陳立泉院士的得意門生李泓，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)二十多年的技術(shù)攻關(guān)，在一項(xiàng)鋰電池關(guān)鍵原材料上獲得了突破，并在2017年進(jìn)行了量產(chǎn)。
納米硅負(fù)極材料是他們自主研發(fā)的新材料，用它做成的紐扣電池，其容量是傳統(tǒng)石墨鋰電池的5倍。
天目先導(dǎo)電池材料科技有限公司總經(jīng)理羅飛
硅在自然界中廣泛存在，儲(chǔ)量豐富，砂子的主要成分就是二氧化硅。但是要把金屬硅做成硅負(fù)極材料，就要進(jìn)行特殊的加工處理。在實(shí)驗(yàn)室里，完成這樣的加工處理并不是難事，但是要做成噸級(jí)的硅負(fù)極材料，這就需要大量的技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)。
中科院物理所從1996年就開(kāi)始研究納米硅，2012年開(kāi)始做硅負(fù)極材料生產(chǎn)線，直到2017年才做出第一條生產(chǎn)線，而且不停地調(diào)整修正。經(jīng)歷過(guò)幾千次的失敗才批量生產(chǎn)出了硅負(fù)極材料。目前，溧陽(yáng)這家工廠年產(chǎn)鋰離子電池硅負(fù)極材料可以達(dá)到2000噸。
如果說(shuō)硅負(fù)極材料是未來(lái)提高鋰電池能量密度的一個(gè)很好的選擇，那么固態(tài)電池技術(shù)則是解決目前鋰電池安全性、循環(huán)壽命等問(wèn)題的一種公認(rèn)的有效解決方案。當(dāng)前很多國(guó)家都在積極布局固態(tài)電池的研制，中國(guó)在固態(tài)鋰電池技術(shù)方面的研發(fā)也在與國(guó)際同步。
在溧陽(yáng)的這家工廠里，采用了李泓教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的固態(tài)鋰電池的無(wú)人機(jī)，續(xù)航里程比同樣規(guī)格的無(wú)人機(jī)，增加了20%。
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