Nano Res.[能源]│河南大学高性能二次电池团队:锂金属电池转换型正极材料的优化策略

信息来源: 发布日期:2023-02-22

面对资源危机及气候变化等带来的挑战,高比能量二次电池已成为全球清洁能源领域的研究热点,对实现“双碳”战略目标具有重要意义。目前,锂离子电池已广泛应用于日常生活中,然而基于锂离子插层化学的传统锂离子电池已无法满足各种新兴领域对锂离子电池能量密度的需求,并且有机电解液基锂离子电池的安全隐患也日益突显。与传统锂离子电池不同,锂金属电池是将锂金属作为负极,其理论比容量约为传统石墨负极的10倍,并且电化学势低,因此锂金属电池的能量密度超出常规锂离子电池40%以上;此外,全固态锂金属电池采用不易燃的固态电解质替代易燃的有机液态电解质,具有良好的热稳定性,可以有效减少热失控导致的电解质燃烧等安全隐患;并且可以有效缓解锂枝晶等问题,有望实现二次电池兼顾高比能量、长循环寿命和高安全性。然而,目前锂金属电池尚未广泛应用,其中高比能量正极材料的缺乏以及电解质-电极材料的界面问题,是限制锂金属电池性能和应用的“卡脖子”问题。


图1(a)转换型正极材料的工作电位;(b)转换型正极材料的理论比容量;(c)转换型和嵌入型正极材料的能量密度对比;(d)转换型和嵌入型正极材料的成本比较;(e)完全放电态转换型和嵌入型正极材料的体积变化对 比。

正极材料的能量密度是决定锂金属电池性能的关键。相比于传统嵌入型正极材料,虽然转换型正极材料的工作电压偏低(图1(a)),然而它们的理论比容量远远大于嵌入型正极材料(图1b),所以这些转换型正极材料具有更高的能量密度(1600-2500 Wh·kg-1;图1(c));并且转换型正极材料相比嵌入型正极材料的成本低(图1(d))。因此,转换型正极材料极具应用前景。但是,转换型正极材料的电子/离子电导率低、体积变化大(图1(e))、反应动力学缓慢、工作机制复杂、副反应严重,并且电解质-电极材料的两相界面高阻态,严重阻碍电极材料高效稳定快速储锂。

图2 转换型正极材料所面临的挑战和优化策略

对此,本文总结了近年来关于转换型正极材料工作机制的研究进展,归纳了提升其电化学性能的有效手段(图2);同时,对应用转换型正极材料于高性能锂金属电池所面临的挑战和未来发展前景进行了展望,提出了实现转换型正极材料基锂金属电池应用的关键和可行策略,以期对未来应用型高性能锂金属电池的研发提供重要启示。

作者简介:

闫冬,博士,河南大学黄河学者特聘教授。2018年于华东师范大学获博士学位,2018-2021年于新加坡科技设计大学从事博士后研究工作。主要研究方向:二次电池关键电极材料及界面物理化学。围绕上述研究方向已在国内外主流期刊发表SCI收录论文30余篇,被引用1800余次,其中以第一作者身份在Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters, ACS Nano等杂志发表论文10余篇,包括正封面论文2篇和ESI高被引论文1篇;获授权国家发明专利5项;作为主要完成人获河南省自然科学优秀学术论文一等奖、河南省科技成果二等奖和河南省自然科学三等奖各一项。

杨会颖,博士,新加坡科技与设计大学教授,博士生导师,英国皇家化学会会士,东盟工程与技术科学院院士,美国材料学会、美国工程学会、新加坡物理学会和材料学会会员。她曾荣获多项国际科技奖项,包括陈嘉庚青年发明家奖、美国工程学会杰出青年奖、新加坡物理学会纳米科技奖等;先后主持美国和新加坡近30项国际与国家重大项目;主张通过功能设计、低维纳米材料的化学掺杂等方式为可持续能源和环境提供各种高效的设备和技术;获授权多项国际专利,并先后在Nature Communications, Energy & Environmental Science, Advanced Materials等国际顶级期刊上发表SCI论文280余篇,他引15143次,H指数68。

白莹,博士,教授,博士生导师,英国皇家化学会会士,中原千人计划—中原青年拔尖人才,河南省高层次人才,河南省高校科技创新团队带头人,河南省高校科技创新人才。担任河南省新能源材料与器件国际联合实验室主任、河南大学学术委员会自然学部秘书长、河南大学物理与电子学院院长。主要研究方向:能源电化学领域中的基础科学问题。围绕上述研究方向已在国内外主流期刊发表SCI收录论文100余篇,其中多篇论文发表在Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Advanced Science, Energy Storage Materials, Nano Energy, Nano Letters等国际知名期刊;获授权国家发明专利28件,实现成果转让1项;获省部级科技奖励2项;主持各类基金项目20余项,其中国家自然科学基金3项,国家重点研发计划子课题1项,国家自然科学基金重点项目子课题1项。



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