长寿命储能型锂电池关键材料储锂机制研究获新进展

导语

锂离子电池中还存在一些基础科学问题不是很清楚,其中,进一步揭示储锂材料储锂机理对改善锂离子电池性能和探索新材料有着至关重要的作用。

锂离子电池已经广泛应用到社会生活的各个方面,给人们的生活带来便利。但锂离子电池中还存在一些基础科学问题不是很清楚,其中,进一步揭示储锂材料储锂机理对改善锂离子电池性能和探索新材料有着至关重要的作用。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源实验室E01组胡勇胜研究员等通过氮掺杂的碳材料包覆长寿命储能型锂离子电池用尖晶石结构的钛酸锂(Li4Ti5O12), 构建有效的三维混合导电网络,大大改善了该材料的倍率性能(Adv. Mater., 23: 1385-1388, 2011;Phys. Chem. Chem. Phys., 13: 15127-15133, 2011;ChemSusChem, 5: 526-529, 2012.)。同时,李泓研究员、胡勇胜研究员与A01组谷林研究员合作,利用球差校正环形明场成像技术(STEM-ABF)并结合第一性原理计算,在原子尺度上研究了锂离子在储锂材料中的存储行为( Energy Environ. Sci., 2011, 4: 2638-2644;J. Am Chem. Soc., 2011, 133: 4661-4663; Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14: 5363-5367.)。

最近,卢侠博士研究生、胡勇胜研究员与A01组谷林研究员应用该技术对充放电过程中钛酸锂的结构演变进行深入研究,取得了下列新进展:(i) 沿[110]方向清晰观察到了锂离子在钛酸锂中的储存位置;(ii) 首次在原子尺度观察到该材料的两相界面结构,从而证实了钛酸锂中的两相反应机理,这对于理解锂离子电池中两相反应机理有重要参考价值;(iii) 利用原子分辨的电子能量失谱(EELS)研究了锂化材料中的电荷分布问题,发现电荷的非均匀分布,和第一性原理计算结果一致;(iv) 观察到所有钛酸锂材料表面显示1-2纳米厚度的不同于体相的结构,这可能是导致该材料在实际应用时胀气的原因。相关成果发表在新一期的《先进材料》上(Adv. Mater., 2012, 24: 3233-3238.)。

上述工作得到了科技部储能材料研究创新团队、科学院知识创新工程能源项目群方向性项目、科学院百人计划、基金委能源项目群重点项目的支持。

图1. (a) 尖晶石Li4Ti5O12的晶格结构示意图,垂直方向为[110], 1, 2, 3和4 分别对应16d, 32e, 8a和16c晶格位置. (b) 和(c)为Li4Ti5O12的球差校正暗场和亮场照片. (d)衬度反转的线衬度示意图,沿AB方向,其上方为放大的局部照片和原子结构示意图。

图 2. 化学锂化的Li4+xTi5O12(x ≈ 0.15)两相界面结构示意图。(a)电镜亮场照片,黄线为两相界面,带轴为[110]。(b)和(c)分别对应a图中两个区域的线衬度示意图。(d)彩色的两相(Li4Ti5O12相 (region 1) and Li7Ti5O12相 (region 2) )界面示意图。(e)第一性原理计算模拟的两相界面示意图,在Li4相中8a Li位置保持不变,但是在Li7 相中16c位置的Li在界面附近发生了明显的偏移,和电镜结果一致。

图3. Ti-L2,3原子分辨的电子能量损失谱. (a)第一性原理计算显示的不同化学状态Ti的分布示意图。(b)彩色暗场锂化的Li4Ti5O12电镜照片。(c) Ti-L2,3原子分辨的电子能量损失谱,显示锂化后的样品中的电荷非均匀分布。

图4. 放大的Li4Ti5O12暗场和亮场电镜照片。可以明显看出表面显示1-2纳米厚度的不同于体相的结构,这可能是导致该材料在实际应用时胀气的原因。

相关阅读

宝马新款i8谍照曝光 动力全面提升、电池组扩容

宝马新款i8的路试谍照曝光,据悉新车动力系统会有所升级,将于在2017年第四季度正式发布。

纳米材料成动力电池突破新方向 容量望提升5倍

来自美国硅谷的Amprius公司将电池化学和纳米技术结合到了一起,这一技术有可能帮汽车电池的产品性能提高10倍...

新能源车目录或重审 电池未入规范目录将不通过

有内部人士透露中机车辆技术服务中心正对新能源汽车推广目录进行重新审,如果电池供应商是没进入《汽车动力蓄...

科技部部长万钢:五年把电池能量密度提高一倍!

万钢在2016中国汽车论坛上说,今后我国会更加注重对基础技术的研究,并在动力电池的发展过程中不断凝练问题,...

简析电动汽车电池:终极电池离我们有多远?

电池的技术进步,对新能源汽车的发展有着不可估量的推动,对于终极电池离,美国阿尔贡国家实验室的研究员陆俊...

电池容量升级 特斯拉推出Model X 75D车型

Model X车系将增加一款75D车型,以替现有的70D车型作为Model X车系的入门版本,得益于5kWh的电池容量提升,新...

不燃烧电池技术降临 微宏破解锂电池自燃难题

电动汽车市场迅速扩大之际,动力锂电池失控引发的电动汽车自燃事件却时有发生,为了解决这一行业性难题,微宏...

拒绝安全隐患 微宏动力发布不燃烧电池技术

3月19日,微宏发布了自主研发的不燃烧电池技术,此次发布的不燃烧电池技术从主动防御与被动防御两个层面解决...

特斯拉布局电池业务 服务夏威夷太阳能项目

新能源公司SolarCity宣布,计划在夏威夷的一个太阳能项目中使用电动汽车制造商特斯拉生产的电池。如果一切顺...

破解新能源汽车电池“瓶颈” 换电模式或可一试

全国政协委员、重庆力帆集团质量中心成品检验部组长邹先荣准备了一份关于《新能源汽车换电模式纳入国家顶层规...

评论