[00370886]高比能锂离子电池关键材料研发和高性能电池体系构建

锂离子电池作为未来动力和储能领域的首选储能方式，是发展电动交通、解决太阳能风能存储和电力削峰填谷的重要途径。该项目围绕高比能锂离子电池关键材料的微纳设计和材料表界面控制等重要科学问题，致力于从材料设计和结构调控入手，提高电极的能量和功率密度；从关键材料的表界面行为调控，提高电池的安全性、可靠性和耐久性。主要技术内容包括以下四方面：高比能电极材料的微/纳设计和性能优化：通过对LiNi0.5Mn1.5O4、LiMnPO4、LiFePO4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O<,2>等正极材料以及新型硅负极、硬碳材料的结构、尺寸控制以及合成过程中关键参数的调控和优化，制备出达到国际领先水平的LiNi0.5Mn1.5O4、LiMnPO4正极材料和硅负极材料。其中，硅负极材料的稳定容量达到3000mAh g-1以上，接近现有石墨负极材料容量的10倍，且材料结构稳定、电化学性能优异。相关论文先后发表在Adv.Mater,Nano Lett.,Adv.Eng.Mater.,Energy Environ.Sci.,Small等重要SCI源期刊上，引用次数超过1200次，获授权相关专利3项。电极/电解液界面行为调控与性能优化。通过改变电解液的组成和溶液结构，调控电极/电解液相界面SEI膜的组成、结构，改善电解液与电极材料间的相容性，发展了基于LiFePO4的长寿命电解液，循环寿命达到3000次以上；开发出与LiNi0.5Mn1.5O4等高压正极以及高比能量硅负极材料均具有良好兼容性的新型电解液体系，电池的能量密度达到320wh kg-1，比现有电池系统的能量密度提高近1倍。相关论文先后发表Carbon,Energy Environ.Sci.,J.Phys.Chem.B,C,Electrochim.Acta等国际SCI源期刊上，引用次数超过800次，获授权相关专利2项。高比能电极材料与粘结剂间的协同作用与优化。针对具有显著体积效应电极材料，为了稳定电极材料和粘结剂界面，首次提出并发展了三维网络型电极粘结剂，有效克服了一些材料的体积效应，成功把硅负极的稳定循环做到了500次以上，且可逆容量保持在2500mAh g-1，揭示了粘结剂与电极材料间相互作用(如氢键、共价键)与材料电化学性能之间的关联规律，相关论文发表在J.Mater.Chem.A,Electrochim.Acta,J.Electrochem.Soc.等国际SCI源期刊上，获授权相关专利1项。高比能电极材料在充放电过程中的性能演变与控制方法。首次提出并系统研究了锂离子电池长期循环过程中正负极之间的相互作用及其控制方法，研究了电池长期循环过程中碳负极表面锂离子的消耗机制与控制，建立了电池容量损失与电池内部活性锂离子消耗之间的定量关系，为发展长寿命储能锂离子电池奠定了科学基础。相关论文发表在J.Power Sources,J.Electrochem.Soc.等国际SCI源期刊上，获授权相关专利2项。上述工作不仅揭示并解决了锂离子电池材料和系统中的许多关键科学问题，也对新能源行业的产业实践有直接的应用价值。该项目近年来在Adv.Mater,JACS,Nano Lett.,Adv.Eng.Mater.,Energy Environ.Sci.等国内外重要期刊上发表论文97篇，他引次数2947次，单篇引用100次以上的论文9篇，单篇最高引用172次。已授权国内外专利8项(其中美国专利2项)，出版著作《锂离子电池电解质》1部，一些新型溶剂和锂盐(如FEC,TFPC和LiFSI)在东亚和欧美电解液市场占据了重要地位，并产生了明显的经济效益。