中科院深圳先進院研發出具有普適性的新型高效低成本鋰電技術
2016-12-20 來源：中國聚合物網
近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團隊成功研發出了一種新型高性能、低成本鋰離子電池技術，有望打破現有鋰離子電池產業格局。相關研究成果A Novel and Generalized Lithium-Ion Battery Configuration Utilizing Al Foil as Both Anode and Current Collector for Enhanced Energy Density（《一種新型普適的基于鋁箔負極/集流體的高能量密度鋰離子電池》）已在線發表于國際期刊《先進材料》（Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201604219），并申請1項國際發明專利（PCT/CN2016/081346）。
隨著科學技術的發展，鋰離子電池已廣泛應用于便攜式電子設備、移動工具電源等領域，其市場規模得到了迅猛擴張。尤其是電動汽車、大型儲能設施的需求提高，對于發展高能量密度、低成本、長循環壽命的新型二次電池越加迫切。鋰離子電池自1991年由索尼公司商業化以來，已有25年的發展歷史，其工作原理是依靠鋰離子在正極（鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元等）與石墨負極之間來回移動（嵌入和脫嵌）來實現電池的充放電過程。然而目前商用鋰離子電池仍存在能量密度低、制造成本高、資金投入大等問題，制約了電池產業的發展。
基于上述考慮，唐永炳及其團隊成員季必發、張帆、圣茂華等人成功研發出一種基于鋁箔負極的新型鋰離子電池。該新型電池直接采用鋁箔同時作為電池負極和集流體，替代了傳統鋰離子電池的石墨負極和銅箔集流體；正極采用目前常見商用的鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等；電解液采用碳酸酯類溶劑。該新型電池具有全新的全電池反應機理：充電時，鋰離子從正極材料中脫嵌出來，運動到鋁箔負極表面，并與鋁形成鋁鋰合金；放電時，鋰離子從鋁鋰合金中脫出，又嵌入到正極材料中。
這種構造不僅可以有效降低電池自重和體積，顯著提高質量和體積能量密度，而且大大降低了生產制造成本，同時具有廣泛的普適性。研究結果表明，采用鈷酸鋰為正極、鋁箔為負極的全電池（LCO-Al）能量密度可達到263 Wh/kg，充放電循環250次后電池容量保持在81%；以磷酸鐵鋰為正極、鋁箔為負極的全電池（LFP-Al）能量密度達到163 Wh/kg，充放電循環500次后電池容量保持在84%；以鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極、鋁箔為負極的全電池（NCM-Al）能量密度達到258 Wh/kg，充放電循環250次后電池容量保持86%。該研究成果具有巨大的產業化前景，并有望改變現有鋰離子電池產業格局。
該項研究得到了廣東省創新科研團隊、廣東省科技計劃項目、深圳市科技計劃項目和國家自然科學基金等項目的資助。
隨著科學技術的發展，鋰離子電池已廣泛應用于便攜式電子設備、移動工具電源等領域，其市場規模得到了迅猛擴張。尤其是電動汽車、大型儲能設施的需求提高，對于發展高能量密度、低成本、長循環壽命的新型二次電池越加迫切。鋰離子電池自1991年由索尼公司商業化以來，已有25年的發展歷史，其工作原理是依靠鋰離子在正極（鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元等）與石墨負極之間來回移動（嵌入和脫嵌）來實現電池的充放電過程。然而目前商用鋰離子電池仍存在能量密度低、制造成本高、資金投入大等問題，制約了電池產業的發展。
基于上述考慮，唐永炳及其團隊成員季必發、張帆、圣茂華等人成功研發出一種基于鋁箔負極的新型鋰離子電池。該新型電池直接采用鋁箔同時作為電池負極和集流體，替代了傳統鋰離子電池的石墨負極和銅箔集流體；正極采用目前常見商用的鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等；電解液采用碳酸酯類溶劑。該新型電池具有全新的全電池反應機理：充電時，鋰離子從正極材料中脫嵌出來，運動到鋁箔負極表面，并與鋁形成鋁鋰合金；放電時，鋰離子從鋁鋰合金中脫出，又嵌入到正極材料中。
這種構造不僅可以有效降低電池自重和體積，顯著提高質量和體積能量密度，而且大大降低了生產制造成本，同時具有廣泛的普適性。研究結果表明，采用鈷酸鋰為正極、鋁箔為負極的全電池（LCO-Al）能量密度可達到263 Wh/kg，充放電循環250次后電池容量保持在81%；以磷酸鐵鋰為正極、鋁箔為負極的全電池（LFP-Al）能量密度達到163 Wh/kg，充放電循環500次后電池容量保持在84%；以鎳鈷錳酸鋰三元材料為正極、鋁箔為負極的全電池（NCM-Al）能量密度達到258 Wh/kg，充放電循環250次后電池容量保持86%。該研究成果具有巨大的產業化前景，并有望改變現有鋰離子電池產業格局。
該項研究得到了廣東省創新科研團隊、廣東省科技計劃項目、深圳市科技計劃項目和國家自然科學基金等項目的資助。
基于石墨負極和鈷酸鋰正極的傳統鋰離子電池充放電機理示意圖（a）；基于鋁箔負極和鈷酸鋰正極的新型鋰離子電池充放電機理示意圖（b）。
論文鏈接 ：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604219/full
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（責任編輯：xu）
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