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新型電池正負極材料的分析

鉅大LARGE  |  點擊量:930次  |  2018年10月08日  

隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展,對能量密度的追求也越來越高,在國家最新公布的新能源汽車的指導方針中提出,到2020年,動力電池的單體比能量要達到300Wh/kg,這一指標要在現(xiàn)有的鋰離子電池體系上實現(xiàn)非常困難。

新型電池正負極材料技術(shù)估計論壇上,來自美國西北太平洋國家實驗室的劉俊研究員提出,未來開發(fā)比能量達到500Wh/kg的電池主要有兩種方法:高鎳NCM和金屬鋰體系,另一個是鋰硫電池體系,無論是采用那種辦法,我們無法都無法避開金屬鋰。

金屬鋰作為鋰離子電池最大的問題是鋰枝晶的產(chǎn)生和生長問題,目前雖然有研究顯示醚類溶劑電解液能夠有效的抑制鋰枝晶的產(chǎn)生,但是由于醚類化合物的分解電壓較低,并且具有很強的可燃性,因此難以在商業(yè)鋰離子電池中應(yīng)用,從目前來看,對于采用金屬鋰負極的鋰離子電池而言,全固態(tài)電解質(zhì)是較為可行的辦法,固態(tài)電解質(zhì)具有較高的彈性模量能夠很好的抑制鋰枝晶的產(chǎn)生和生長,因此能夠有效的提高金屬鋰電池的循環(huán)壽命和安全性能。

新型電池正負極材料

目前固態(tài)電解質(zhì)主要分為兩大類:無機陶瓷電解質(zhì)和有機聚合電解質(zhì),這其中以硫化物固體電解質(zhì)最具吸引力,因為其具有高的鋰離子電導率(10-2S/cm)和良好的柔性特點,但是硫化物固體電解質(zhì)容易與極性溶劑發(fā)生反應(yīng),同時其微粒化的特征也會導致正負極勻漿困難。

為了解決這一問題,來自韓國蔚山大學的DongHyeonKim,提出了一種可以規(guī)?;苽淙虘B(tài)電池的新方法,該全固態(tài)電池的正負極均采用了傳統(tǒng)鋰離子電池電極結(jié)構(gòu),利用Li6PS5Cl(LPSCl)的乙醇或者0.4LiI-0.6Li4SnS4的甲醇溶液對傳統(tǒng)的鋰離子電池電極進行浸潤,該電池表現(xiàn)出了較高的可逆容量,正極LiCoO2達到了141mAh/g,負極石墨材料則達到了364mAh/g(0.1C,30℃),同時該電池在100℃下,也表現(xiàn)出了很好的電化學性能,表明該電池具有很好的熱穩(wěn)定性和安全性。

傳統(tǒng)的固態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)都需要采用較為繁復的干混過程混合活性物質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)和導電劑、粘結(jié)劑,但是在實際過程中我們更希望能夠采用濕混工藝混合這些電極組份,但是由于固態(tài)電解質(zhì)與極性溶劑具有較強的反應(yīng)活性,因此傳統(tǒng)的鋰離子電池生產(chǎn)過程中采用的極性溶劑無法應(yīng)用在全固態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)中,因此我們需要開發(fā)一種非極性溶劑用于全固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn),例如甲苯、二甲苯,同時傳統(tǒng)的粘結(jié)劑,如PVDF、CMC、SBR等也不適合全固態(tài)電解質(zhì),因此還需要開發(fā)合適的粘結(jié)劑。

此外,對于鋰離子電池而言勻漿過程需要將三種物質(zhì)混合均勻(活性物質(zhì)、導電劑、粘結(jié)劑),而對于全固態(tài)電池,這其中還要加入固態(tài)電解質(zhì),不僅僅要考慮電極的電子導電性,還要兼顧電極的離子導電性??偟膩碚f全固態(tài)電解質(zhì)電極制備過程要遠遠比鋰離子電池的電極制備復雜。

為了使全固態(tài)鋰離子電池的電極各個組份能夠均勻的混合,DongHyeonKim等人首先利用傳統(tǒng)工藝獲得了鋰離子電池電極極片,然后將固體電解質(zhì)Li6PS5Cl和0.4LiI-0.6Li4SnS4分別制成乙醇和甲醇溶液,將鋰離子電池極片浸入到上述溶液中,然后進行干燥和碾壓,該工藝保證了固體電解質(zhì)與活性物質(zhì)之間均勻的混合,保證了電池良好的電化學性能。

正極LiCoO2的可逆容量達到了141mAh/g,負極石墨材料則達到了364mAh/g(0.1C,30℃,半電池),同時該電池在100℃下,也表現(xiàn)出了很好的電化學性能,表明該電池具有很好的熱穩(wěn)定性和安全性。

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