现代工学院周豪慎团队研发出500Wh·kg-1锂电池 ——电动汽车续航800公里成为可能

发布者:袁敏敏发布时间:2020-06-16

近日,南京大学周豪慎教授研究团队提出一种稳定的、大容量的基于阴离子氧化还原活性的正极材料体系,该体系的工作原理是通过氧化锂(Li2O)与过氧化锂(Li2O2)之间的可逆转化实现电池的充放电过程。基于该体系,周豪慎团队成功地开发出比能量为513.5 Wh/kgLi/Li2O二次电池软包(基于软包整体质量),该电池充放电循环100周之后容量保持率达到80%。此外,该电池的正极材料中仅含1.59wt%的镍,相对于高镍三元正极来说,可以大幅降低该电池的成本,有利于该电池的商业化。该研究成果于202069日发表在Cell Press旗下期刊《Joule》上。(Qiao, Y. et. al., Joule 4, 1-14, 2020. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.05.012)。南京大学现代工学院为论文第一单位,周豪慎教授为通讯作者,该工作获得国家重点研发计划“新能源汽车”专项和国家基金委重点基金资助。

长距离续航电动汽车的发展受制于高比能量二次电池的开发。现有报道的基于NCM正极材料的金属锂软包电池的比能量已达到300 Wh/kg(基于软包质量)。在正极材料的设计过程中,不局限于传统过渡金属氧化还原提供容量,利用Li2OLi2O2之间的可逆转化,能够为正极体系提供很高的能量密度。热力学理论计算得知,Li2O/Li2O2转化理论容量为897 mAh/g(基于Li2O活性材料),热力学平衡电位2.86 V vs. Li/Li+,理论比能量2565.42 Wh/kg。然而,基于Li2O的正极材料,最主要的问题集中在一定充电深度后诱发的不可逆氧气析出。因此,Li2O正极材料的实际可逆容量往往会低于理论容量。如何扩大无氧气析出(以及其他不可逆氧行为)的“安全”充电深度成为开发该类电极体系的重中之重。2019年,周豪慎教授研究团队开发出金属Ir基的催化框架用来包裹Li2O正极颗粒,并实现了高达630 mAh/g(基于Li2O活性材料)的可逆充放电循环[1]。但是,金属Ir的价格大大影响到了其实用性角度的拓展。因此,开发廉价的催化剂体系,并进一步降低Li2O正极中非活性的导电催化框架的占比,成为改进该体系的重点研发优化方向。该工作中引入的Ni基碳合金(carbon-alloy-catalyst, CAC)导电+催化框架大大降低了正极成本,并同时实现了高达750 mAh/g(基于Li2O活性材料)的可逆“安全”充电深度。即使将非活性的Ni-CAC框架质量考虑在内,正极材料放电输出的能量密度可达到1202.3 Wh/kg(基于Li2O+Ni-CAC的质量之和)。该正极材料的输出能量密度是NCM-622正极的1.75倍。同时,通过对醚类电解液的优化,匹配金属锂负极组成软包全电池之后,首圈输出能密度高达513.5 Wh/kg(基于软包质量),并且100圈之后仍保持大于400 Wh/kg的能量密度。

图(A-B)基于Li2O@Ni-CAC正极体系的金属锂全电池(软包)性能。在两组不同正极负载量的软包电池中,输出的比能量分别能够达到414.6513.5 Wh/kg(计算基于软包整体质量)。其中500 Wh/kg量级的软包电池在100圈循环之后,放电输出的能量密度仍然高于400 Wh/kg。(C)软包电池卷绕模式和各组分参数列表。