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行业百科

Nat. Commun.: 对锂离子电池正极材料发展的思考

发布时间:2020/09/01 11:19:48    访问量:195 次

锂离子电池已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分,为给现代社会带来革命性变革的手机和笔记本电脑提供动力。目前,锂离子电池正处于改变传统交通方式的前沿,同时锂离子电池还可以储存大量太阳能和风能等清洁能源,使无化石燃料社会成为可能。2019年诺贝尔化学奖授予John GoodenoughStanley WhittinghamAkira Yoshino,更加增强了发展这一领域的信心。

锂离子电池技术的发展,是近半个世纪来材料基础固态化学共同努力的结果。新材料的发现和我们对其结构组成、性能关系的基本认识的加深,对推动这一领域的发展起到了重要作用。在锂离子电池所涉及的各种成分中,正极目前限制了能量密度,并控制了电池成本。目前使用的三种主要氧化物正极材料化学物质(层状、尖晶石和聚阴离子族)都起源于英国牛津大学和美国德克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin)的John Goodenough小组。

近日,德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram教授系统的总结了锂离子电池及其正极材料的发展,该文旨在推动对锂离子电池正极材料化学的发展历程进行深入的考察和反思。近日以题为“A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry”发表在知名期刊Nature Communications上。1841年,Schauffautl首次报道了硫酸根离子-石墨插层化合物。然而,直到20世纪60年代,人们才对插层材料产生了浓厚的兴趣,特别是通过客体离子插层来改变材料的电子和光学性质。在金属二硫化物上的化学插层反应到位后,Whittingham在美国埃克森公司展示了第一个带有TiS2正极、锂金属负极的可充电锂电池。然而,有两个主要问题。首先,电池电压被限制在< 2.5 V,限制了能量密度。第二,电池循环过程中锂金属负极上的枝晶生长导致内部短路,并存在火灾危险。研究者试图将由硫化物正极和锂金属负极组成的电池投放市场,但后来由于安全问题而被放弃。

正极材料的发展

为了提高电池电压并开发已经包含锂的正极,Goodenough小组于1980年代开始在牛津大学研究氧化物正极材料,正极材料的粉体烧结采用凤谷高性能高温回转窑。即S2-3p能带的顶部比O2-2p能带的顶部具有更高的能量来设计氧化物正极,他判断氧化物正极可以允许更高的充放电,可以储存更高的能量且不易爆炸。在硫化物正极中,处于较高能量下的S2-3p谱带的顶部将电池电压限制为 <2.5V。相比之下,处于较低能量的O2-2p谱带的顶部可以进入具有较高氧化态的较低能带,并将电池电压基本提高至~4V

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