Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12/高分子固体电解质表界面结构与分子运动的固体NMR研究

相对于传统锂离子电池,全固态锂电池具有安全性能高、循环寿命长、能量密度高等优点,是目前锂电池研究领域的热点之一．作为全固态锂电池的核心组成部分,固体电解质是实现全固态锂电池高性能的关键材料．本文设计了一种高分子-锂盐-陶瓷的复合物固体电解质．通过多种固体核磁共振（NMR）方法研究了该材料中高分子-陶瓷的界面层结构和界面高分子链段的分子运动．     

固态电解质与电极界面的稳定性

相比于有机体系锂离子电池,全固态锂金属电池有望同时提高电池安全性和能量密度,因而受到广泛的研究和关注.固态电解质的电化学窗口决定了电解质在高压电池充放电过程中是否保持稳定.目前的固态电解质,热力学稳定电化学窗口较窄,限制了其与高电压正极以及锂金属负极的匹配.因而能否形成动力学稳定的界面,决定了全固态电池是否能够持续高效工作.本文总结归纳了固态电解质的热力学稳定窗口的实验和理论计算研究进展,并对提高界面稳定性的实验进展进行了简述.在此基础上,提出构建动力学稳定性界面及防止锂枝晶的思路,并展望了全固态电池界面构建的研究方向.     

石榴石型固态电解质表界面问题及优化的研究进展

随着对能源存储设备输出和安全性能等方面需求的不断提升,全固态电池展示了替代传统液态锂离子电池占据新能源市场的潜力.石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂固体电解质具有高离子导率且对于锂金属稳定,是最受人瞩目的固体电解质材料之一.但是,固-固界面不良接触导致的巨大界面电阻以及由于锂的不均匀沉积和分解导致的锂枝晶生长等问题严重阻碍了全固态电池的发展.本综述针对石榴石型全固态电池突出的界面问题,详细论述了Li₇La₃Zr₂O₁₂表面碳酸锂问题的研究现状;讨论了锂金属负极和固态电解质的界面浸润性以及锂枝晶生长问题,给出了构建理想界面的关键因素;阐述了优化正极与石榴石型固体电解质界面的具体方法以及改善界面润湿性的思路.本文还展望了未来石榴石型全固态锂离子电池可能的发展方向,为全固态锂离子电池的发展和应用提供了借鉴.     

全固态锂离子电池内部热输运研究前沿

本文简要阐述了全固态锂离子电池的特点及其内部热输运研究的意义.介绍并总结了国内外与正极材料、负极材料、固态电解质,以及电极与电解质界面热输运性质相关的实验和理论工作.针对脱嵌锂过程对电极材料热导率的影响机理尚不明确,非晶态转变对电极材料热输运研究的挑战,界面热输运模型与方法不足等问题,系统梳理了全固态锂离子电池内部热输运的重要前沿科学问题.     

金属锂在固态电池中的沉积机理、策略及表征

全固态金属锂电池的能量密度有望达到现有商业化锂离子电池的2—5倍,且有可能从本质上解决现有液态电解质锂离子电池的安全性问题.要想实现全固态金属锂电池这一颠覆性技术,克服金属锂/固态电解质界面存在的副反应严重、界面接触差、锂枝晶生长等一系列挑战至关重要.本文探讨了金属锂在有机、无机固态电解质中的沉积机理及其控制策略,以及金属锂负极的表征手段等,为固态锂电池的实用化研究提供了建议.在固态电池中,电解质与负极之间固-固接触不良、缺陷、晶界、裂纹、孔隙、尖端附近较强的电场以及固态电解质自身的电子电导都可导致金属锂沉积,进而演变成锂枝晶.针对这些诱因,可以通过提高固态电解质的机械强度,增大并改善固态电解质和负极的界面接触,减少固态电解质内部及表面的缺陷、杂质和孔隙,限制固态电解质内部的阴离子运动,诱导锂的均匀沉积,修复不均匀沉积形成的锂枝晶等方法均匀化锂沉积.固态锂电池走向应用仍然存在诸多挑战,需要扎实的基础研究,有目标导向的设计思路和全面、系统、创新的综合解决方案.     

全固态金属锂电池负极界面问题及解决策略

全固态金属锂电池有望提高当前商用锂离子电池的安全性及能量密度,被广泛认为是下一代电池的重要研发方向.其中的负极-电解质界面与电池性能紧密相连.本文将该界面存在的问题划分为静态及动态两方面,静态问题包括化学不稳定及物理接触差,体现在电池循环前的巨大阻抗,动态问题包括枝晶生长及孔洞形成,体现在电池循环过程性能的快速衰退.本文就静态及动态问题的起因及其解决策略进行分析,并对高性能全固态金属锂电池的设计策略作出展望.     

用于全固态锂电池的有机-无机复合电解质

固态电解质被认为是解决传统液态锂金属电池安全隐患和循环性能的关键材料,但仍然存在离子电导率低,界面兼容性差等问题.设计兼顾力学性能、离子电导率和电化学窗口的有机-无机复合型固态电解质材料是发展全固态锂电池的明智选择.近年来,基于无机填料与聚合物电解质的有机-无机复合电解质备受关注.设计与优化复合电解质结构对提高复合电解质综合性能具有重要意义.本文详细梳理了有机-无机复合固态电解质在全固态锂电池中展现的多方面优势,从满足不同性能需求的复合电解质结构设计角度出发,综述了有机-无机复合电解质在锂离子传导、锂枝晶的抑制、界面稳定性和相容性等方面的研究进展,并对有机-无机复合电解质的未来发展趋势和方向进行了展望.     

石榴石型固态锂电池中的物理问题

采用固体电解质的固态锂电池具有实现高能量密度和高安全性的潜力,在新能源汽车和可穿戴电子设备领域的应用大有可为.石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)固体电解质具有高离子电导率和对锂稳定等特点,是当下最受人瞩目的固体电解质材料之一.本文从物理的角度,探讨热力学和动力学两种因素对LLZO电化学稳定性的影响,离子界面输运机理及其在陶瓷和复合电解质中的应用.针对固态锂电池突出的界面问题,从界面匹配、电荷转移、体积应变、热量传递等方面,讨论固态锂电池循环寿命和实际安全性,给出构建理想界面的关键因素.最后,从电极、电解质和电池结构设计等方面分析如何构建高能量密度的固态锂电池电芯.本文希望通过对LLZO最新理论和实验研究成果的分析总结,阐明石榴石型固态锂电池中的关键物理问题,为高性能固态锂电池的发展提供依据.     

硫化物固态电解质材料界面及其表征的研究进展

发展高能量密度和高安全性的全固态锂电池技术对于推动我国锂电池产业技术的更新换代,强化我国在这一领域的技术优势具有重要的现实意义.固态电解质是全固态锂电池的核心组成部分,其中硫化物固态电解质因其高的离子电导率、较好的机械延展性以及与电极良好的界面接触等优点,被认为是最具商业化潜力的固态电解质之一.然而其空气稳定性较差,与电极接触的界面存在界面副反应、锂枝晶生长及界面机械失效等缺点,严重制约了其在高能量密度全固态锂电池中的应用.本文首先综述硫化物固态电解质空气稳定性的研究方法及其退化机制、提高材料空气稳定性的策略与方法;其次对其与正负极界面的相容性、稳定性及其解决策略进行了总结与分析;最后总结归纳近年来电极/硫化物固态电解质界面的原位表征技术的研究进展,并展望了未来硫化物固态电解质材料界面的研究重点和发展方向.     

三维自支撑甲苯灰微球锂硫电池正极材料的制备与性能研究

新能源交通工具的飞速发展激发了人们对高能量密度电池技术的探索,锂硫电池因为具有较高的理论能量密度被视为锂离子电池的替代品.但由于硫具有导电性差和多硫化物的穿梭效应等问题,锂硫电池的商业化应用仍面临巨大的挑战.基于此,为改善锂硫电池的性能,设计了一种高导电性三维支撑的正极结构:多级交联的三维导电网络能够有效提高正极材料导...     

基于材料基因组方法的锂电池新材料开发

近年来,在锂二次电池新材料的研发过程中逐渐建立了基于材料基因组思想的高通量计算理论工具与研究平台.在该平台上,通过将不同精度的计算方法组合,实现了基于离子输运性质的材料筛选;通过将信息学中数据挖掘算法引入高通量计算数据的分析,证实了材料大数据解读的可行性.上述平台实现了在锂电池固体电解质的高通量筛选、优化和设计上进行新材料研发的示范应用,通过高通量计算筛选获得了两种可用于富锂正极包覆材料的化合物Li_2SiO_3和Li2SnO_3,有效改善了富锂正极的循环稳定性;通过对掺杂策略的高通量筛选,获得了提高固体电解质β-Li_3PS_4离子电导率和稳定性的方案;通过高通量结构预测设计了全新的氧硫化物固体电解质LiAlSO;并在零应变电极材料结构与性能的构效关系研究中进行了大数据分析的尝试,分析了零应变电极材料的设计依据.上述材料基因组方法在锂电池材料研发中的应用为在其他类型材料研发中推广这种新的研发模式提供了可能.     

以碳粉为负极材料制备锂离子电池及电池性能测试

在能量存储技术中,锂离子电池是高能量密度的电化学电源.以碳为负极材料,涂膜制备了负极片,以锂片为正极片制备了CR2016锂离子电池,并对其性能进行了测试,分析了碳粉为锂电负极材料的特性.     

聚氧乙烯基聚合物固态电池的界面研究进展

聚氧乙烯基聚合物固态电池具有高安全性和高能量密度的特点,极有可能成为下一代储能器件.然而,聚氧乙烯基电解质本身的电化学窗口窄,极大的限制了其能量密度的进一步提升.目前适配聚氧乙烯基电解质且长循环稳定的正负极材料较少,这严重阻碍了聚氧乙烯基聚合物固态电池的广泛应用.其主要问题在于电极材料与聚氧乙烯聚合物电解质之间的负极界面和正极界面都容易发生副反应,大大地缩短了电池的循环寿命.为了抑制这些副反应,人们采取了相应的策略,取得了一定的成效.为充分理解固态电池界面处的变化,可采用各类先进表征手段对其进行研究,这将为下一步提高固态电池循环稳定性提供更科学的依据.     

新型锂离子电池正极材料LiMPO_4(M=Fe,Mn)的谱学和电化学研究

采用固相反应与液相反应,合成了新型锂离子电池正极材料LiMPO4(M=Fe,Mn)。粉末X光衍射表明材料均为纯相。对材料的显微拉曼光谱和红外光谱进行了研究和指认。循环伏安研究表明,含锂磷酸盐是一类有潜力的锂离子电池正极材料。     

现场光谱电化学研究高能电池界面

正随着电池在便携式电子产品、电动交通工具和静态储存系统等领域的广泛应用,人们对具有更长续航能力的高能电池需求不断增长。基于公式:质量能量密度=容量×电压/质量,高能电池通常采用具有更高工作电压或更高容量的新型电极材料,但是这些新型电极材料与电解质之间界面不稳定性制约了高能电池的发展。因此,采用原位技术手段,深入研究和理解电极/电解质界面反应过程和界面性质对发展高能电池至关重要~([1])。气体是电极/电解质界面反应的重要     

一代材料，一代电池：正极材料研究推动锂离子动力电池的升级换代

一代材料,一代电池。锂离子电池正极材料的研究不断推动着动力电池的升级换代。第一代动力电池的正极材料为锰酸锂Li Mn₂O₄,其低温性能好、成本低和安全性高,但电池能量密度不够高。第二代动力电池正极材料为磷酸铁锂Li Fe PO₄和三元正极材料镍钴锰NCM/镍钴铝NCA。磷酸铁锂正极材料的优势是长寿命、低成本、高安全性。三元锂正极材料的特点是大容量、高能量密度、快充效率高。第三代动力电池的正极材料是高电压镍锰酸锂Li Ni_0.5Mn_1.5O₄和镍酸锂Li Ni O₂,主要解决第二代面临的低成本和长续航不能兼顾的问题以及更长里程问题。文章首先回顾第一、二代的锰酸锂、磷酸铁锂和三元正极材料的研究历程、优缺点及发展近况,之后介绍和展望下一代高电压镍锰酸锂和镍酸锂正极材料。     

锂离子电池相关材料的Raman光谱学研究

锂离子电池是目前综合性能最好的可充电池。本文总结我们实验室用Raman光谱学研究锂离子电池相关材料的一些结果 ,包括聚合物电解质的微结构和离子输运机制 ,低温热解碳负极材料的结构表征和锂离子在其中的嵌入 /脱出机理 ,元素替代引起正极材料LiMn2 O4的结构变化以及在充放电过程中电极 /电解质界面形成的钝化层的性质及其对电池性能的影响     

有机电解质锂空气电池放电特性分析

为了研究有机电解质锂空气电池放电过程的内部反应机理,本文以有限元方法为基础,利用有限元软件COMSOL建立了一个耦合了Butler-volmer方程、Fick定律方程、偏微分方程的二维数值模型,研究有机电解质锂空气电池放电过程中的传质规律,分析了沉积物形貌、正极多孔材料厚度对电池放电特性的影响,在一定放电电流密度下,小的过氧化物沉淀形貌系数导致放电电压降低,降低正极厚度有利于电池的放电特性,靠近正极集流体附近电化学反应剧烈,但生成的过氧化物多,阻塞在靠近正极集流体一侧,导致电流密度迅速降低,研究结果对理解有机电解质锂空气电池的工作原理具有重要帮助.     

锂电池发展简史

由于具有很高的能量密度，锂金属在1958年被引入电池领域，1970年进入锂一次电池的商业研发阶段。自1990年以来，随着正极材料、负极材料与电解质的革新，可充放二次锂电池不断发展并实现商品化。如今锂电池技术仍在继续发展并将进一步改善人类生活。文章对40多年来锂电池技术发展历程进行了简单的回顾。     

全固态电池中界面的结构演化和物质输运

全固态电池中科学问题的本质在于引入的固态电解质的特性及全新的固-固界面的存在.从构-效关系出发,固-固界面和电解质自身的结构演化与物质输运过程决定了全固态电池的性能.随着固态电解质材料研究的不断丰富,目前全固态电池中的问题主要集中在固-固界面,界面处的组成和结构限制了全固态电池的性能.根据固-固界面接触的情况不同,本文按照固-固界面物理接触、化学接触和表面改性处理这三个层次总结与讨论全固态电池中固-固界面处的结构及其物质输运.最后从功能材料功能性起源角度讨论局域对称性与宏观复杂体系下材料性能的关联.