复旦大学夏广林《PNAS》:在高能量密度电池领域取得重要进展

  锂离子电池具有能量密度较高,循环寿命长等优点,已广泛应用于手机、笔记本电脑、新能源汽车等各个领域。由于磷酸铁锂具有稳定高、安全性好等优势,因此,我国车用动力电池技术路线中一般采用的是磷酸铁锂为正极材料。随着新能源电动汽车对续航里程需求的逐渐增加,对锂离子电池的能量密度、成本等指标的要求也逐渐提高。然而,磷酸铁锂的比容量只有约140 mAh g-1,而且工作电压范围低(2.5-4.0 V之间),因此,电池能量密度已很难满足电动汽车对更大续航里程的需求。另外,近年来我国车用电池的产量持续增加,造成锂,铁等原材料价格不断上涨,成为锂离子电池成本进一步下降的最大阻碍。

  针对以上问题,研究团队采用廉价易得的石墨代替部分商业化正极材料磷酸铁锂,通过简单的机械球磨混合制备工艺,开发了一种基于磷酸铁锂/石墨复合材料的混合电极。类似于传统锂离子电池,在低工作电压(2.5-4.0 V)下,该混合电极可利用锂离子在磷酸铁锂内的嵌入/脱出反应进行能量储存。其次,与传统摇椅式锂离子电池不同的是,在高工作电压(4.0-5.0 V)下,电解质中的六氟磷酸根阴离子还可以在石墨内进行可逆的脱嵌/嵌入反应,从而同步提高了电极材料的比容量与工作电压,大幅提高了电池的能量密度。当与商业化的石墨负极组装成全电池后,混合电极的宽电压范围和高容量可将全电池的能量密度提高至约176.7 Wh kg-1,远高于以石墨和磷酸铁锂分别为负极和正极的商业化电池(~100到130 Wh kg-1)。

  值得注意的是,石墨的加入还减少了对锂、铁等资源的消耗,降低了电池组装成本。另外,这种特殊的充电/放电过程触发了正极/电解质界面相的原位形成,增强了整个电极在高工作电位下的结构完整性。因此,这种混合电极材料在10 倍率下经过3500次循环仍然显示出高容量和长循环稳定性。

  该研究表明,通过对电池结构与工作机理的改良,能够以更低的成本获得更高的能量密度,为新型高能量密度电池的设计与研发提供了一定的理论与实践基础。复旦大学材料科学系青年研究员夏广林、澳大利亚伍伦贡大学教授郭再萍和美国阿贡国家实验室研究员陆俊为论文共同通讯作者。

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