Recent developments in cathode materials for lithium ion batteries

One of the challenges for improving the performance of lithium ion batteries to meet increasingly demanding requirements for energy storage is the development of suitable cathode materials. Cathode materials must be able to accept and release lithium ions repeatedly (for recharging) and quickly (for high current). Transition metal oxides based on the α-NaFeO₂, spinel and olivine structures have shown promise, but improvements are needed to reduce cost and extend effective lifetime. In this paper, recent developments in cathode materials for lithium ion batteries are reviewed. This includes comparison of the performance characteristics of the promising cathode materials and approaches for improving their performances.     

全固态锂离子电池关键材料研究进展

全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本上解决电池安全性问题,是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。为了实现大容量化和长寿命,从而推进全固态锂离子电池的实用化,电池关键材料的开发和性能的优化刻不容缓,主要包括制备高室温电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态锂离子电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面相容性。本文以全固态锂离子电池关键材料为出发点,综述了不同类型的固态电解质和正负极材料性能特征以及电极/电解质界面性能的调控和优化方法等,阐述了未来全固态锂离子电池关键材料的发展方向以及界面问题的解决思路,为探索全固态锂离子电池产业化前景奠定基础。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries （April 1，2016 to May 31，2016）

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2016年4月1日至2016年5月31日上线的锂电池研究论文,共有1679篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料和金属锂负极研究侧重于SEI界面层、复合材料、黏结剂及反应机理研究,电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池、锂空气电池的论文也有多篇。理论模拟工作侧重于正极材料结构、SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池界面、电极结构和性能分析的研究论文。     

Research progress in blending modification cathode materials for lithium ion batteries

本文简述了国内外锂离子电池正极材料共混改性的研究进展。正极材料是锂离子电池重要组成部分，是决定锂离子电池能量密度和成本的关键因素。共混改性具有制备工艺简单、材料性能一致性容易控制、综合成本较低等优点，在钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料电池制造中得到应用。国内外通过对正极材料共混改性机理研究，发现共混改性是材料改善电化学性能、降低成本、提升安全性能的有效途径，并有望发展成为依据材料特性指导锂离子电池高性能电极设计的重要方法。同时在正极材料共混改性方面亟需加强共混材料物性匹配、充放电机制选取、共混工艺研究，该方法也为高镍、富锂锰基等新一代正极材料工业化应用提供了工艺参考。     

Progress of electrolyte additives for high-capacity power lithium ion batteries

动力电池是新能源汽车的核心部件,而电解液是制约动力电池发展的关键。电解液一般由碳酸酯类溶剂、锂盐和添加剂组成,其性质对电池的高低温、倍率、寿命等性能有显著影响。高比能动力电池所需电解液的主要开发策略是利用功能添加剂在电池正、负极同时形成稳定的保护膜,同时稳定界面。文章回顾了近年来匹配高压正极材料和高容量硅碳负极材料所需添加剂的组成和基本功能,论述了添加剂作用机理和发展趋势,认为300 W·h/Kg高能量密度电池电解液的关键在于开发新型多功能添加剂。     

Recent developments and future prospects for lithium rechargeable batteries

Possible future developments of lithium rechargeable batteries are discussed. Lithium ion liquid electrolyte batteries are now well established, with energy densities of up to around 150 Wh kg⁻¹. There are prospects of increases in the energy density to perhaps 200–250 Wh kg⁻¹ by using new cathode materials (lithium nickel cobalt oxide) and light weight construction. High power cells make it possible for these batteries to find new uses, e.g. in military applications. Some new materials could reduce the cost, which might make lithium rechargeable batteries economic for electric vehicles.     

Calculation on energy densities of lithium ion batteries and metallic lithium ion batteries

锂电池是理论能量密度最高的化学储能体系,估算各类锂电池电芯和单体能达到的能量密度,对于确定锂电池的发展方向和研发目标具有重要的参考价值。本工作根据主要正负极材料的比容量、电压,同时考虑非活性物质集流体、导电添加剂、黏结剂、隔膜、电解液、封装材料占比,计算了不同材料体系组成的锂离子电池和采用金属锂负极、嵌入类化合物正极的金属锂离子电池电芯的预期能量密度,并计算了18650型小型圆柱电池单体的能量密度,为电池发展路线的选择和能量密度所能达到的数值提供参考依据。同时指出,电池能量密度只是电池应用考虑的一个重要指标,面向实际应用,需要兼顾其它技术指标的实现。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries(Apr. 01, 2019 to May 31, 2019)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2019年4月1日至2019年5月31日上线的锂电池研究论文,共有2969篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了层状三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料研究侧重于复合材料、电极结构和电解液添加剂改进,金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层的设计来提高其循环性能。固体电解质重点研究硫化物和含卤素的硫化物,固态电池的研究也多数选用硫化物固体电解质。电解液添加剂则重点在于提升高电压和高镍电解质循环稳定性和充放电库伦效率。锂硫电池的研究侧重于正极的改进。原位分析偏重于电极中的反应和固态电池的失效过程。理论模拟工作涵盖动力学、界面SEI形成机理分析和电池失效机制等。     

Evaluation of cathode materials for the lithium/ carbonmonofluoride battery

The lithium—carbonmonofluoride (CF)_n system is one of the most promising systems for high energy density primary batteries and is described in this paper. In this system, discharge performances mainly depend on cathode materials, (CF)_n, prepared by fluorinating various carbon materials at moderate temperatures. Two kinds of active carbons, graphite and coke, were chosen and tested in cells to determine the best carbon material for the carbonmonofluoride cathode. The (CF)_n cathode made of coke has been shown to have excellent discharge performances, good storage behavior, and an energy density of 140 W h/kg in small button cell sizes.     

Recent progress of electrode materials for room-temperature sodium-ion stationary batteries

随着风能、太阳能等可再生能源的不断发展,储能作为影响其发展的关键技术越来越受到人们的关注。在储能领域,锂离子电池以高能量密度、长循环寿命、高电压等诸多优点在电子领域已得到广泛的应用,并成为未来电动汽车动力电池的最佳选择。但因锂资源储量有限、分布不均匀,而且原材料成本比较高,所以锂离子电池在电网大规模储能方面的应用遇到了瓶颈。与锂相比,钠不但具有与锂相似的物理化学性质,更具有资源丰富、分布广泛、原料成本低廉等优势。近些年室温钠离子电池再次引起了人们的研究兴趣,特别是在电网储能方面表现出极大的应用潜力。虽然目前已报道了多种钠离子电池电极材料,但大都离实用化以及进一步产业化尚有一定的距离。本文重点介绍一些性能较为突出的室温钠离子电池电极材料,并指出要实现钠离子电池的产业化,需要开发空气中稳定、高安全、高容量、高倍率、循环稳定、低成本的新型正、负极材料。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries(Feb. 1,2013 to Mar. 31,2013)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以"lithium"和"batter*"为关键词检索了Web of Science 从2013年2月1日至2013年3月31日上线的锂电池研究论文,共有924篇,选择其中100篇加以评论.层状氧化物,高压尖晶石和聚阴离子正极材料继续受到关注.高容量的Si基负极材料一直是研究的热点,然而其体积膨胀,长循环效率低的缺点尚未被克服.本期有多篇电解液添加剂的研究论文给出了较好的结果.具有高能 量密度的Li-O₂和Li-S电池仍是研究热点.除了这些以材料为主的研究之外,有多篇涉及电池预期寿命估计和电池失效机理分析的论文,还有一个特点是SEI形成机理和电池内部应力分析的理论计算论文开始多起来.     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries(Feb. 1,2013 to Mar. 31,2013)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以"lithium"和"batter*"为关键词检索了Web of Science 从2013年2月1日至2013年3月31日上线的锂电池研究论文,共有924篇,选择其中100篇加以评论.层状氧化物,高压尖晶石和聚阴离子正极材料继续受到关注.高容量的Si基负极材料一直是研究的热点,然而其体积膨胀,长循环效率低的缺点尚未被克服.本期有多篇电解液添加剂的研究论文给出了较好的结果.具有高能 量密度的Li-O₂和Li-S电池仍是研究热点.除了这些以材料为主的研究之外,有多篇涉及电池预期寿命估计和电池失效机理分析的论文,还有一个特点是SEI形成机理和电池内部应力分析的理论计算论文开始多起来.     

Progress of inorganic solid electrolyte for lithium ion batteries

目前,商品化的锂离子电池电解液主要以碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯等有机溶剂为溶剂,在电池使用过程中,存在电解液分解、锂枝晶生成和漏液等问题,从而影响电池的稳定性和安全性。无机固态锂电池电解质具有热稳定性高、电化学性能稳定、与高电压正极材料相容性好、安全性高及环境友好等优点,是目前储能领域研究的一个热点。研究和开发具有高离子电导率的无机固态电解质是促进其在电池中应用的关键和难点,本文综述了几类目前研究较多的LiPON型、钙钛矿型、石榴石型、LISICON型电解质,重点关注了其在离子电导率方面的研究及应用进展。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries (Feb. 1, 2018 to Mar. 31, 2018)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter^*”为关键词检索了Web of Science从2018年2月1日至2018年3月31日上线的锂电池研究论文,共有2731篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料和有机物正极材料,材料结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响以及富锂材料的氧参与氧化还原反应的机制受到重视。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层,金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层的设计来提高其循环性能。电解液添加剂、新型固态电解质、固态电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇关于电池界面及材料分析方法的研究论文。     

金属有机框架及其衍生金属氧化物在锂和钠离子电池中的应用

高性能锂和钠离子电池是未来便携电子设备、电动汽车和大规模储能电站的重要组成部分,受到了各行业的广泛关注。目前商用的锂离子电池和研发中的钠离子电池都面临着一些技术瓶颈,主要表现为能量密度低、充放电慢等,导致无法满足市场的需求。具有独特结构、高比表面积的金属有机框架及其衍生金属氧化物可作为电化学储能器件新型电极材料,满足高性能锂和钠离子电池的要求。本文综述了近年来金属有机框架及其衍生金属氧化物作为锂和钠离子电池电极材料的研究进展,同时指出了金属有机框架及其衍生金属氧化物在实际应用中的不足及未来可能的一些改进措施。     

二氟磷酸锂作为电解液添加剂在锂离子电池中的应用

锂离子电池的能量密度主要由正、负极材料的比容量和电极电位决定,但其性能发挥与电极/电解液界面性质密切相关。为提高锂离子电池的性能,必须使用电解液添加剂改善电极/电解液界面性质。迄今为止,已有大量的文献报道各种类型的电解液添加剂,但得到实际应用的却为数不多。二氟磷酸锂（LiPO₂F₂）是最近得到实际应用的电解液添加剂,能有效降低界面阻抗、提高充放电循环稳定性等。本文介绍该添加剂在锂离子电池中的应用效果及其作用机理。     

Research status of iron based fluoride cathode materials for lithium ion battery

随着新能源技术的不断发展,对锂离子电池的能量密度要求越来越高。氟化铁（FeF₃）和氟化亚铁（FeF₂）因具有较小的分子量、多电子转化反应及高电压等优点正成为极具发展潜力的高比能锂电正极材料,但是导电性差、转化反应使得材料需要较大过电势,这制约了其实际应用。本文首先介绍了FeF₃和FeF₂的基本性质及储锂机制,随后具体论述了两者的电化学性能改进措施,主要包括对FeF₃和FeF₂进行晶体结构扩展和元素替换而出现的很多铁基氟化物新相（氟化铁的水合物Fe_xF_y·mH₂O、氟氧化铁FeOF）,纳米多孔结构的设计,碳纳米复合材料构建的研究,并简要展望了未来的发展方向。     

Thermodynamic analysis of high energy density conversion type cathode materials for Na- and K-ion batteries

Conversion-type materials attract increasing attention for rechargeable batteries because of their high energy density compared with intercalation-type materials. However, the development of conversion materials for sodium and potassium ion batteries is in its beginnings, and a few materials have been studied. In this study, high-throughput computational screening was performed to discover high energy density conversion cathode materials for sodium and potassium batteries. Conversion reactions of cathode materials were examined using the Materials Project database. The reaction voltage curves as a function of specific capacity were obtained using grand potential phase diagram. The calculation results indicated that fluorides, chlorides, bromides, and oxides are promising conversion cathode materials, exhibiting high reaction potential and capacity. The average reaction potentials of sulfides, selenides, phosphides, and nitrides indicated that they are not appropriate materials for conversion cathodes.     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries (Apr. 1, 2018 to May 31, 2018)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以"lithium"和"batter^*"为关键词检索了Web of Science从2018年4月1日至2018年5月31日上线的锂电池研究论文,共有1807篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料研究侧重于电极结构和电解液添加剂改进,金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层的设计来提高其循环性能。电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于固态电池的界面,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇关于电池分析的研究论文。     

Research progress of cathode materials for lithium-sulfur batteries

锂硫电池作为一种非常有前途的高能化学电源,随着电动汽车和便携式电子设备的发展,因其高理论比容量（1675 mA·h/g）和高理论能量密度（2600 W·h/kg）引起了人们的广泛关注。然而,锂硫电池发展过程中的一些挑战不可避免,包括硫较低的离子和电子导电性,较差的循环性以及生成的多硫化物易溶于有机溶剂等缺点,制约了锂硫电池的发展。本文结合近年来锂硫电池正极材料的研究进展,简要阐述了锂硫电池正极材料的研究现状、问题及面临的挑战。锂硫电池由于其发展中面临技术瓶颈难以突破,导致现在还无法大规模的应用,因而对其性能的改进也就成了当今的研究热点。硫电极材料电导率低、循环性能差,可以通过碳包覆或者掺杂改善材料性能。然而由于成本和技术问题,大部分锂硫电池正极材料目前还主要处于研究试验阶段。因此,在提高材料性能的前提下,通过碳包覆或者掺杂改善工艺,探索一条适合工业化生产的道路是下一阶段研究的重点。