[01126641]先进电池材料微区结构调控与性能优化

①课题来源与背景： 课题来源：国家自然科学基金 课题背景：锂离子电池电化学储能体系是实现电动汽车和新能源广泛应用的关键,有助于解决城市环境恶化和全球化石能源短缺问题。但是目前锂离子电池仍存在能量密度不能满足实际应用需求,且锂资源储量有限导致使用成本不断攀升,同时电池安全性问题也亟待解决。电池关键材料的设计制备,是制约电池性能提升的技术瓶颈,而通过微区结构调控实现性能优化是电池材料研究的关键科学问题。 富锂锰基层状氧化物（LLOs）的充放电比容量达300 mAh/g以上,是下一代高能锂离子电池正极材料的研究重点,但其晶体结构存在争论,电化学过程中的演化行为和反应机制不清晰,且面临循环稳定性差等挑战;高容量硅负极材料在循环过程中由于体积形变导致颗粒粉化和性能衰退等,是制约其实际应用的难题;资源丰富和成本低廉的钠离子电池在储能领域有广阔应用前景,但电池材料在充放电过程中的多电压平台导致循环稳定性差和低可逆比容量,限制其发展和利用;采用固态电解质的固态电池可从根本上解决电池安全问题,也能实现高能锂金属电池的应用,但固态电解质的离子电导率低和电压窗口窄等问题严重影响固态电池的电化学性能,制约其实用化进程。 ②技术原理及性能指标： 技术原理：本项目针对锂离子电池电极材料的能量密度低、成本高和安全性差等问题,开展锂/钠离子电池和固态电池等先进电池材料的微区结构调控与性能优化研究,提出高能锂离子电池电极材料的微区结构调控新思路,发展低成本钠离子电池材料的微区结构调控策略,拓展微区结构调控在固态电池关键材料中的应用,制备出系列新材料,并阐明构效关系和实现微区结构精准调控。 性能指标：1)通过微区结构比例调控,获得了可逆比容量达270mAh/g的LLOs正极材料;2)采用无定型微区调控,实现硅负极材料的可逆容量达1200 mAh/g,稳定循环230圈后容量保持在1000 mAh/g以上,以及优异的倍率性能（电流密度2000 mA/g时容量达600 mAh/g）;3)设计开发出的具有“三晶畴”微区结构的低成本钠离子电池经过1500圈循环后,电极材料的容量保持率仍达86.5％。4)基于功能基元微区结构调控设计出的硅烷封端聚醚聚合物电解质具有高达0.36 mS/cm的离子电导率和5V高电压稳定窗口,组装的LiFePO4正极材料和该聚合物电解质的固态电池在3C倍率下可稳定循环600圈,容量基本保持不变。5)采用微区结构调控设计开发的三维纳米/微米多孔铜集流体的锂金属电池循环400小时后库仑效率仍高达98％。 ③技术的创造性与先进性： 本项目率先提出了通过微区结构调控来优化电池材料电化学性能的新思路,在国际上首次揭示了锂离子电池LLOs正极材料充放电过程的微区畴结构设计调控及与电化学性能的构效关系,以及基于微区结构协调功能思想发展的钠离子电池和固态电池关键材料等。通过本项目的系统性研究,取得了先进电池材料微区结构解析与演化、反应机制、设计与调控以及性能优化的系统创新性研究成果,为材料设计优化提供了新的思路,有效地提升了电极材料的电化学稳定性和能量密度。本项目对北京市新能源汽车和电化学储能用先进电池材料的基础和应用研究,起到了重要推动作用,为北京市建设全国科创中心做出了积极贡献。 ④技术的成熟程度,适用范围和安全性; 本项目通过先进电池材料的微区结构调控实现电化学性能提升,并设计开发出系列新材料,包括高能锂离子电池电极材料,低成本和长寿命的钠离子电池电极材料,以及高安全性的固态电池关键材料等,相关技术的成熟度较高,且部分材料可以实现大批量生产。 本项目设计开发出的锂离子电池LLOs正极材料和硅负极材料,适用于高比能锂离子电池电化学储能体系,包括纯电动汽车和电子产品等,可以显著提升电动汽车的续航里程,以及电子产品的使用时间。开发出的钠离子电池电极材料,适用于开发低成本和长循环寿命的储能电池系统,可以显著降低成本,大幅提升经济和社会效益。开发出的固态电池关键材料适用于锂离子电池和规模化电化学储能系统,有效解决电动汽车和电子产品等面临的安全性问题,加快高比能固态电池的实用化进程。 本项目设计开发出的系列新材料,安全性较高。 ⑤应用情况及存在的问题; 本项目设计开发出的高能锂离子电池电极材料、低成本钠离子电池材料和高安全性固态电池关键材料等,目前还处于实验室阶段,仅有部分材料可以进行小批量生产,还不能满足企业生产的需要。因此,通过改善材料制备工艺,进一步实现材料的大规模生产,是目前电池关键材料实现实用化所面临的问题。 ⑥历年获奖情况：无。