Research progress on cathode materials for high energy density lithium ion batteries

便携式电子设备的微型化、轻量化与电动汽车、电网储能设备的飞速发展,对高能量密度的锂离子电池的研发和性能表现提出了越来越高的要求。锂离子电池正极材料是锂离子电池的核心,其提供锂离子并参与电化学反应,因此改善正极材料性能是提高锂离子电池能量密度的关键。人们需要进一步研究开发成本较低、安全性更好的高能量密度新型锂离子电池正极材料。本文主要从提升正极材料的比容量和工作电压两方面介绍三元、富锂锰基材料和高电位镍锰酸锂等高比能量正极材料的介尺度结构设计、制备与性能调控研发进展。     

薄膜锂离子电池负极材料的研究进展

全固态薄膜锂离子电池是锂离子电池的最新研究领域,其能量密度高、厚度薄、循环寿命长、可靠度高。薄膜化的负极材料是锂离子电池的重要组成部分,负极薄膜材料制备方法的研究取得了较大的进展,未来研究重点是低成本、低能耗、高综合电化学性能的负极薄膜材料以及可批量生产的薄膜制备技术。对薄膜化的硅负极材料、金属或合金薄膜材料、氧化物薄膜材料和复合薄膜材料近几年来的研究状况进行了综述,并对其发展前景进行了展望。     

锂离子电池多尺度非均匀性概述

动力电池高续航、长循环、快速充电和高安全性等严苛的使用要求推动着锂离子电池技术的革新.然而,这也使得电池内部从颗粒材料到电芯各层级的均匀性问题变得突出,成为决定电池综合性能的关键因素.研究锂离子电池多尺度的非均匀性成因及改善策略,是目前电池制造与电池管理中亟待解决的重要问题.本概述系统地总结了锂离子电池材料颗粒、电极微...     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (Ⅷ)----Anode electrode materials

锂离子电池的成功商业化,起始于石油焦负极材料.负极作为锂离子电池必不可少的关键材料,目前主要集中在碳,钛酸锂以及硅基等合金类负极,采用传统的碳负极可以基本满足消费电子,动力电池,储能电池的要求,采用钛酸锂可以满足高功率密度,长循环寿命的要求,采用合金类负极材料有望进一步提高能量密度.本文小结了目前广泛使用和正在研究的锂离子电池负极材料的性能特点,讨论了下一代锂离子电池负极材料的研究和发展状况.     

储能锂离子电池关键材料研究进展

在现有商品化二次电池中,锂离子电池的比能量最高、循环性能最好,而且因其电极材料选择的多样性,作为储能电池具有广阔的应用前景。锂离子电池发展面临一些问题：比能量、比功率和循环寿命有待提升,安全性还没有可靠保证,制造成本过高,等等。针对这些问题,人们从电池材料选择、电池结构设计、电池制备装配与工艺、电池管理系统等方面探索解决方案。本文结合作者所在研究团队开展的工作,介绍锂离子电池关键材料（正极、负极和电解质）的研究进展。     

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。     

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。     

钛酸锂基锂离子电池及其健康状态研究进展

锂离子电池的高功率密度和高能量密度等特性使其成为电动汽车能源和新能源电网储能的重要载体。功率性能和安全特性是锂离子电池发展的两个主要挑战。钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂材料因具有良好的结构稳定性、安全性能、长循环寿命、高功率特性和高低温放电性能,被认为是锂电池负极材料的良好备选。综述了以钛酸锂材料为负极的锂离子电池的相关工作,介绍了钛酸锂材料的结构、电化学特性、制备方法和作为电池负极材料面临的主要问题,重点介绍了钛酸锂负极电池的全电池性能和健康状态研究等方面。     

Research progress on capacitive lithium-ion battery

锂离子电池具有高的能量密度,而超级电容器则以高功率密度和长循环寿命为突出优势。电容型锂离子电池是在锂离子电池的正极中加入部分电容炭材料,在不显著降低能量密度的情况下,大幅度改善锂离子电池的功率特性和循环寿命,从而实现电容与电池技术的融合。本文综述了国内外近年来在电容型锂离子电池领域的最新研究进展,介绍了主要的电容型锂离子电池体系及其性能特点,并对其未来发展方向进行了展望。     

Applications of atomic force microscopy in lithium ion batteries research

锂离子电池由于具有高能量密度、高循环寿命、安全等诸多优点,是现代生活中最受欢迎的便携式电源,有着广阔的应用前景。为了充分发挥锂离子电池的潜力,推进其实用化进程,需要深入研究电极反应历程。作为锂离子电池研究的得力助手,原子力显微镜（AFM）能通过其针尖原子与电极表面原子之间的相互作用,实时检测电极表面的微观形貌,在纳米尺度上提供电极表面的物理化学信息,为电极材料和电解液的优化改性提供实验依据。本文综述了AFM在锂离子电池研究中的最新应用进展,包括电化学反应条件下电极材料的形貌变化、纳米力学性能和电学性能等,说明AFM将会进一步推动锂离子电池的研究进展。     

锂离子电池正极材料生产技术的发展CSCD

本文对锂离子电池正极材料生产制备技术的发展历史进行了回顾,对锂离子电池正极材料的发展方向进行了分析。20世纪末,从锂离子电池正极材料加工性能和电池性能的角度出发,清华大学研究团队提出了控制结晶制备高密度球形前驱体的技术,结合后续固相烧结工艺,提出了制备含锂电极材料的产业技术。其中,控制结晶方法制备前驱体,可以在晶胞结构、一次颗粒组成与形貌、二次颗粒粒度与形貌,以及颗粒表面化学4个层面对材料的性能进行调控与优化。利用该技术工艺生产的材料具有颗粒粒度及形貌易控制、均匀性好、批次一致性和稳定性好的特点,可以同时满足电池对于材料电化学性能和加工性能的综合要求。因材料的堆积密度高,尤其适用于高比能量电池。该技术工艺适用于多种正极材料,并适合于大规模生产,随着时间的推移,逐步被证明是锂离子电池正极材料的最佳生产技术工艺,得到了现今产业界的普遍接受和认可。这也是我国科学工作者对国际锂离子电池产业做出的重要贡献之一。     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (VII)--Positive electrode materials

提高锂离子电池正极材料的综合性能以满足其对能量存储日益提高的要求,一直是锂离子电池领域最重要的研究方向.目前的正极材料主要基于层状结构,尖晶石结构以及橄榄石结构,采用这些材料的锂离子电池可以基本满足消费电子,电动车辆,规模储能等要求.本文小结了目前广泛使用的锂离子电池正极材料的性能特点,讨论了当前正极材料的研究和发展状况.     

未来电池新材料即将诞生

正锂离子技术是目前性能最好的电池储能技术,但由于电池中存在极易燃烧的液态有机电解质,使锂离子电池会着火。而电池从液态易燃电解质转换为固态非常困难,因固体中锂离子流动性差,限制了电池充放电速度。最近,加州大学研究人员发现了一种名为LTPS的材料。他们在此材料中观察到了有史以来在固体中测量到的、比已知材料高得多的最高锂扩散系数(锂迁移率的直接测量)。这种锂迁移率来自LTPS独特的晶体结构。这一发现为锂     

Transmission electron microscopy of lithium ion battery materials

理解材料的构-效关系是功能材料领域的永恒话题，在锂离子电池材料的研究中亦是如此。因此可以看到如X射线衍射、中子衍射、核磁共振、X射线电子能谱等结构表征手段被应用于锂离子电池材料的研究中。但是因上述方法对于微观局域结构并不敏感，而给出平均的结构信息。材料的性能往往随微观结构的不同而天差地别，因此获取锂离子电池材料的微观结构信息十分重要。透射电子显微镜具有原子尺度的空间分辨能力，可以获取原子尺度上的结构扭曲和电子结构变化，在锂离子电池材料的研究中起到了至关重要的作用。本文从电子显微学和锂离子电池材料的关系入手，从基本原理和实验方法出发，为相关领域科研人员提供便利。     

Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries(X)—All-solid-state lithium-ion batteries

商用锂离子电池由于采用含有易燃有机溶剂的液体电解质,存在着安全隐患。发展全固态锂离子电池是提升电池安全性的可行技术途径之一。目前全固态锂离子电池的应用还需要解决一些科学与技术问题,包括：开发能在宽温度范围使用,兼顾高电导率与电化学稳定性的固体电解质材料;减小电解质相与电极相界面间离子输运电阻的技术;适合全固态电池使用的正负极材料;相关材料与电池的设计与规模化制造技术。本文从固体电解质材料的研究开发进展,高通量计算用于固体电解质材料的筛选以及电极材料与固体电解质界面问题等方面进行了小结。     

Research progress of high rate Li-ion battery materials

电动汽车行业迅速发展,高倍率的锂离子电池是其关键,因此需要不断开发适用高倍率充放电的电池材料。本文简要综述了高倍率锂离子电池正极材料、负极材料、隔膜和电解液方面的研究进展,并对高倍率锂离子电池材料发展进行了展望。     

高镍三元层状锂离子电池正极材料:研究进展、挑战及改善策略北大核心CSCD

随着锂离子电池在新能源汽车领域应用逐步扩大,续航里程成为制约新能源汽车发展的关键因素,提高锂离子电池的能量密度是解决续航焦虑的有效途径,高镍三元层状材料具有比容量高、成本低及安全性相对较好等优点,被认为是最具前景的高比能锂离子电池正极材料之一。然而,随着三元层状材料中镍含量提高,其循环稳定性和热稳定性显著下降。本工作回顾了锂离子电池正极材料的发展历程,分析了三元层状材料向高镍方向发展的必要性;基于高镍三元层状正极材料的研究现状对当前高镍三元层状材料存在的挑战进行了总结,从阳离子混排、结构退化、微裂纹、表面副反应、热稳定性多个方面综合分析了材料的失效机制;针对高镍三元层状材料存在的问题,综述了表面涂层、元素掺杂、单晶结构以及浓度梯度设计等方面的改性策略,重点探讨了各种改善策略的研究进展以及对高镍三元层状材料电化学性能的影响机理;最后归纳了上述改善策略的特点,基于单一改善策略的优势和不同改善策略的耦合效应,展望了高镍三元层状材料改善策略的发展方向,并提出了多重改善策略协同应用的可行性方案。     

Research progress of cycle phosphazenes applied in lithium ion batteries

本文回顾了环三磷腈及其衍生物的合成,阐述了其在锂离子电池电解液,正负极材料等关键材料方面的应用研究进展,并进行了相应的展望.随着锂离子电池在高容量动力及储能领域中的广泛应用,电池的安全性问题日益凸显,材料安全性是电池安全性的基本保证.磷腈化合物由于其特殊的组成和结构,具有高效阻燃与电化学稳定性,在用于改善锂离子电池安全性方面受到越来越广泛的关注.在锂离子电池电解液添加剂和共溶剂的研究中发现,磷腈化合物不仅可以改善电解液的热稳定性和阻燃性能,还可以提高电池的充放电电压和循环稳定性;同时,也可以作为正负极材料的重要组分,改善电极材料的安全性.在锂离子电池安全性领域中具有较好的研究价值和实用意义.     

锂离子电池基础科学问题(XV)——总结和展望

自摇椅式可充放锂电池概念由Armand M等人在1972年提出,锂离子电池的基础研究历经43年,在材料体系、电化学反应机理、热力学、动力学、结构演化、表界面反应、安全性、力学行为等方面不断取得更为深入广泛的认识,并最终推动锂离子电池技术发展和成功实现了商业化。锂离子电池面临着电池性能需要全面提升、应用领域需进一步拓宽的强劲需求,因此要求基础研究能够提供创新的、更好的技术解决方案,对锂离子电池材料复杂的构效关系能精确认识,对于电池在制造和服役过程中的失效机制有全面的理解,对各种控制策略的效果能提供可靠的科学依据。同时,锂离子电池的发展也在促进着固态电化学、固态离子学、能源材料、能源物理、纳米科学等交叉基础学科的发展。作为"锂离子电池基础科学问题"讲座的最后一篇文章,本文对锂离子电池基础研究的科学问题,存在的难点、发展趋势进行了总结。     

Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries (XV) ——Summary and outlook

自摇椅式可充放锂电池概念由Armand M等人在1972年提出,锂离子电池的基础研究历经43年,在材料体系、电化学反应机理、热力学、动力学、结构演化、表界面反应、安全性、力学行为等方面不断取得更为深入广泛的认识,并最终推动锂离子电池技术发展和成功实现了商业化。锂离子电池面临着电池性能需要全面提升、应用领域需进一步拓宽的强劲需求,因此要求基础研究能够提供创新的、更好的技术解决方案,对锂离子电池材料复杂的构效关系能精确认识,对于电池在制造和服役过程中的失效机制有全面的理解,对各种控制策略的效果能提供可靠的科学依据。同时,锂离子电池的发展也在促进着固态电化学、固态离子学、能源材料、能源物理、纳米科学等交叉基础学科的发展。作为“锂离子电池基础科学问题”讲座的最后一篇文章,本文对锂离子电池基础研究的科学问题,存在的难点、发展趋势进行了总结。