寧波材料所高能量密度鋰電池研究取得系列進展
鋰金屬二次電池是突破500Wh/kg能量密度的下一代電池技術(shù)的重要發(fā)展方向。相較于傳統(tǒng)鋰離子電池，該電池體系對正、負(fù)極材料和電解液等關(guān)鍵材料以及電池設(shè)計與構(gòu)建等均提出了新的要求。具有高放電比容量（～300 mAh/g）的富鋰錳基正極材料被認(rèn)為是實現(xiàn)這一技術(shù)目標(biāo)的理想之選，但其電壓衰減、首次不可逆容量大、循環(huán)壽命不佳等問題依然突出。而金屬鋰負(fù)極的電化學(xué)沉積/溶解行為可逆性差、易于枝晶狀生長、充放電過程中體積變化大以及“死鋰”堆積等問題也亟待解決。對于電解液，則需要同時匹配新型正負(fù)極材料的需求，并平衡注液量、粘度和電導(dǎo)率間的關(guān)系。此外，鋰金屬二次電池的電芯設(shè)計、組裝工藝和測試規(guī)程等也無法照搬傳統(tǒng)鋰離子電池工藝體系，需要大量的工藝創(chuàng)新。因此，鋰金屬二次電池技術(shù)發(fā)展面臨著巨大挑戰(zhàn)。近五年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所劉兆平研究團隊在高能量密度鋰電池關(guān)鍵材料及體系構(gòu)建等方面開展了深入探索，取得了系列進展。
研究團隊圍繞降低富鋰錳基正極材料的首次不可逆容量、循環(huán)過程中電壓衰減和氧析出等關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究并取得系列研究結(jié)果（Nature Communications, 2016, 7, 12108；ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9, 3661；Advanced Material Interfaces, 2018, 1701465；ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 14, 14023；Energy Storage Materials, 2019, 16, 220；Cell Reports Physical Sciences, 2020, 1, 100028；Matter, 2021, 4, 1；Energy Storage Materials, 2021, 3, 388）。與此同時，研究團隊著力研發(fā)攻關(guān)富鋰錳基正極材料工程化技術(shù)，創(chuàng)建了寧波富理電池材料科技有限公司推進其產(chǎn)業(yè)化，率先形成了富鋰錳基正極材料中試產(chǎn)品供應(yīng)能力。
同期，研究團隊根據(jù)實際電池要求（高可逆面積容量、低N/P比以及低注液量），針對目前存在的金屬鋰負(fù)極體積膨脹嚴(yán)重、電解液/電極界面不穩(wěn)定、循環(huán)壽命短等共性問題，開展了高容量長壽命金屬鋰負(fù)極的創(chuàng)新研究。通過石墨烯與金屬鋰復(fù)合重構(gòu)，實現(xiàn)了金屬鋰在石墨烯上的可控負(fù)載與高面積容量下鋰沉積穩(wěn)定性的大幅提升，同時降低了循環(huán)過程中的體積膨脹，并緩解了“死鋰”層引起的傳質(zhì)受阻（Advanced Energy Materials, 2018, 1703152；Energy Storage Materials, 2018, 15, 226；ACS Applied Materials & Interface, 2018, 10, 20387；Energy Storage Materials, 2019, 21, 107；Energy Storage Materials, 2019, 23, 693.）；還設(shè)計構(gòu)筑了一系列穩(wěn)定性良好的電解液/電極人造界面層，并深入探究了其作用機制（Nano Energy, 2019, 62: 55-63；Energy Storage Materials, 2019, 23: 418-426；Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 6267.）。
研究團隊在高安全性及耐高電壓電解液及其在鋰離子/鋰金屬電池中的應(yīng)用方面也取得了重要研究進展（Electrochimica Acta, 2015, 151, 429；Journal of Power Sources 2015, 278, 190；Journal of Power Sources, 2018, 391, 113-119； Electrochimica Acta, 2019, 320, 134633； Journal of Energy Chemistry, 2020, 48 , 375–382.）。同時，在鋰金屬二次電池電芯設(shè)計與制作工藝方面開展技術(shù)研發(fā)，申請了系列發(fā)明專利（CN201922069868.8，CN201911403350.1，CN201911418097.7，CN201911410950.0，CN201911424004.1，CN202010311146.3，CN202010065932.X，CN202010640875.3），初步建立了電池全流程工藝，并制定了鋰金屬二次電池測試與評價規(guī)程。
為進一步實現(xiàn)鋰金屬二次電池的長壽命目標(biāo)，研究團隊通過在常規(guī)碳酸酯基電解液（1.0 M LiPF6 in EC/DMC with 2 wt.% LiPO2F2）中加入高度氟代醚類溶劑，改變鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)，使得LiPO2F2以固體形式從電解液中析出并覆蓋在正、負(fù)極表面，有效增強了電解液/正極界面的高電壓耐受性，并同步提升鋰負(fù)極沉積行為的可逆性。結(jié)合研究團隊在鋰金屬二次電池關(guān)鍵材料及電芯工藝研發(fā)基礎(chǔ)，采用富鋰錳基正極材料為正極、鋰金屬為負(fù)極，應(yīng)用該新型電解液體系設(shè)計構(gòu)建了一款容量為3.6Ah、能量密度達430Wh/kg的新型鋰金屬二次電池，并表現(xiàn)出優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。該最新研究結(jié)果近日發(fā)表在能源材料領(lǐng)域重要學(xué)術(shù)期刊ACS Energy Letters（2021, 6, 115-123）。
上述系列研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB100100）、國家自然科學(xué)基金項目（21703271、21773279）、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA09010101）、中科院STS重點項目（KFJ-STS-ZDTP-068）、中科院國際伙伴計劃對外合作重點項目（174433KYSB20150047）、寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專項（2018B10081）和中國博士后科學(xué)基金項目（2019TQ0331、2019M662123）等項目的資助。
430Wh/kg鋰金屬二次電池及其電化學(xué)性能
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