鋰電池最新前沿進(jìn)展

1、利用摻雜Li研究高壓尖晶石型LiNi0.5Mn1.5O4中的陽(yáng)離子有序轉(zhuǎn)變

通過(guò)對(duì)中子衍射，TEM成像，電化學(xué)測(cè)試及NMR等數(shù)據(jù)的測(cè)試分析，Junghwa Lee等確定了Li摻雜對(duì)高壓尖晶石型LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)中Ni/Mn排列的影響。在有序轉(zhuǎn)變前摻雜的Li占據(jù)空的正八面體間隙(16c位置)，在轉(zhuǎn)變后移動(dòng)至正八面體位點(diǎn)(16d(4b)位置)。在16c位置的Li阻擋了有序轉(zhuǎn)變路徑，而在16d(4b)位置的Li則與過(guò)渡金屬產(chǎn)生靜電相互作用。因此Li位置的移動(dòng)對(duì)Ni/Mn有序轉(zhuǎn)變有很強(qiáng)的影響。Li摻雜雖然對(duì)Mn3+影響不大，但是使Ni/Mn排列的無(wú)序性增強(qiáng)。Li摻雜LNMO的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變發(fā)生在700°C。Li摻雜在對(duì)Mn3+電化學(xué)性質(zhì)無(wú)負(fù)效應(yīng)的情況下可以調(diào)控Ni/Mn的無(wú)序性。

2. 鈉離子電池層狀氧化物陰極的環(huán)境穩(wěn)定界面

鈉離子電池對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能具有極大的戰(zhàn)略重要性。層狀氧化物尤其是基于Mn的氧化物因?yàn)檩^高的可逆容量和較大的地球豐度而成為普遍使用的陰極材料。但是，極易被忽略的是層狀陰極的界面會(huì)發(fā)生大氣腐蝕及電化學(xué)腐蝕而使電池的電化學(xué)性質(zhì)減弱。本文將通過(guò)提高表面鈦濃度來(lái)提高界面的環(huán)境穩(wěn)定性，這種方法不僅可以克服前面提到的局限，還可以提供獨(dú)特的界面化學(xué)/電化學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果顯示在原子尺度的界面是由類尖晶石Ti(III) 氧化物構(gòu)成的，這種構(gòu)成增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)及電化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)也提高了電子/離子傳導(dǎo)率。這一界面修飾的電極表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性質(zhì)及較高的能量密度。本文的研究結(jié)果突顯出穩(wěn)定界面的重要性，并且為鈉離子儲(chǔ)能的陰極材料修飾提供了思路。

3. 極限溫度鋰電池材料觀察

隨著不斷增長(zhǎng)的儲(chǔ)能需求，電池在極端環(huán)境下的使用需求也越來(lái)越旺盛。盡管已經(jīng)走在了技術(shù)前沿，鋰電池的應(yīng)用通常也是限制在室溫，因?yàn)槭褂弥须姵氐膬?nèi)部反應(yīng)會(huì)引起熱漲落，而這也是近來(lái)消費(fèi)產(chǎn)品中許多電池爆炸的原因。針對(duì)這一問(wèn)題，通常的做法是改進(jìn)熱量控制。在低溫(<20 °C)和高溫(>60 °C)狀態(tài)下鋰電池的功能和安全性本質(zhì)上與它的各組件，如電極、電解液材料和所謂的固態(tài)電解質(zhì)界面相關(guān)。本篇綜述從材料角度出發(fā)嘗試解決鋰電池耐熱性能的問(wèn)題，涉及的溫度范圍從−60 °C 到 150 °C。本文對(duì)極有前景的陰極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，陽(yáng)極鈍化問(wèn)題，各種電解質(zhì)的性能，粘合劑和集流體等從熱使用性角度進(jìn)行了比較。這些組件的性能的可改善空間將決定商業(yè)鋰電池的應(yīng)用環(huán)境的擴(kuò)展邊界。

4. 通過(guò)氟代碳酸乙烯酯添加劑測(cè)定硅電極上固體電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)

本文報(bào)告了通過(guò)對(duì)電解質(zhì)添加劑的調(diào)節(jié)(氟代碳酸乙烯酯)觀測(cè)原位硅陽(yáng)極上固體電解質(zhì)界面厚度及組成對(duì)充電狀態(tài)及循環(huán)的影響。結(jié)果表明在開(kāi)路電壓下FEC表面凝結(jié)之后在0.9 V (vs. Li/Li+)被還原為具有C-O的聚合形態(tài)，得到厚度約50 Å的薄膜。經(jīng)過(guò)鋰化SEI的厚度增加到70 Å，并且更加有機(jī)化。而去鋰化SEI減薄13Å并且由于有LiF生成性質(zhì)更無(wú)機(jī)化。這個(gè)增厚/減薄的過(guò)程隨著循環(huán)可逆，顯示出SEI是一個(gè)動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)。文章比較了無(wú)FEC情況下制成的280Å 厚SEI與添加FEC情況下的SEI的化學(xué)性質(zhì)及厚度，并提出了添加FEC情況下SEI的形成機(jī)理。

5. 利用無(wú)氟多硫化合物陰極及納米碳纖維自支撐膜制取高實(shí)際容量鋰-硫可持續(xù)電池

本文報(bào)告了一種改善LiS電池容量，降低生產(chǎn)成本，提高可持續(xù)性的新方法。這種方法是基于多硫化合物L(fēng)i2S8電解質(zhì)構(gòu)成的半液態(tài)陰極和無(wú)需粘合的特定形貌的納米碳纖維膜。陰極的多硫化合物電解質(zhì)同時(shí)具有活性物質(zhì)和Li+傳導(dǎo)提供者兩種功能，這種電池中不使用傳統(tǒng)的鋰鹽，并且可以提供最高7 mAh cm−2的區(qū)域容量，這一數(shù)值是商業(yè)鋰離子電池(LiBs)的2倍，是目前最前沿的LiS電池的2-4倍。從材料角度來(lái)講，這一電池基于硫和碳元素，完全無(wú)氟，無(wú)氟鹽及任何粘合劑，具有擴(kuò)大規(guī)模的潛質(zhì)和具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。這些特性組合起來(lái)使得半液態(tài)LiS電池極具大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的前景。

6. Li2S中超離子態(tài)相轉(zhuǎn)變的理論研究

本文對(duì)溫度誘導(dǎo)的Li2S中超離子態(tài)相轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，Li2S是一種極有前景的Li-S電池陰極材料。本文分別通過(guò)熱力學(xué)缺陷(利用密度泛函理論計(jì)算)和精確平衡條件(利用從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué) AIMD計(jì)算)對(duì)低溫和高溫時(shí)的離子載體濃度進(jìn)行估算。通過(guò)AIMD模擬還可以得到擴(kuò)散系數(shù)的值。計(jì)算所得離子傳導(dǎo)率證明超離子在T = 900 K發(fā)生相轉(zhuǎn)變，這與已有的實(shí)驗(yàn)值相吻合。Li2S超離子特性是由熱力學(xué)因素決定的，如高濃度的無(wú)序缺陷。

原標(biāo)題:7月《Nature》鋰電池最新前沿進(jìn)展