详解锂离子电池的关键材料与能量密度
来源：宝鄂实业
2019-08-23 09:11
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最近，相关研究团队提出了一种基于表面纳米精度的限域相变提升电极材料稳定性的机制：基于可控的表面高温固相反应，引入锌离子促进镍锰酸锂的表面尖晶石结构转变为类岩盐相、层状相两者的复合构型，精确调控两相比例，在不牺牲材料电化学活性的前提下提升了材料的结构稳定性。这种特殊的表面相态调控机制能够克服常规表面惰性包覆方式对电荷传输的损害，为基于电极材料自身表面化学特性调控，获得兼具高容量、高稳定性的关键电极材料提供了新的手段和机制，相关工作发表在（J.Am.Chem.Soc.2019,141,4900-4907）。
为何大家会“谈氢色变”
其实燃料电池汽车并不是氢第一次使用在人类的交通工具上，早在上世纪四十年代，德国人就在巨型客运飞艇上使用了氢气，但氢气在那时并非作为燃料，而是填充在整个飞艇中充当浮升气体而存在。著名的兴登堡号飞艇，是人类历史上生产的最长的飞行器，它的存在曾经是当时德国的骄傲，并且在1936年柏林奥运会上投入到宣传活动中。
研究人员证明了使用静电纺丝技术制造嵌入MOF颗粒作为有效阴离子吸附剂的复合材料隔膜。电解质中的阴离子与MOF颗粒的OMS的络合改善了tLi+和Li+电导率。同时，多孔的复合隔膜减少了电解质的分解并促进了电极表面的动力学反应，在电解质和电极之间产生了更稳定的界面。这种复合隔膜的应用可以显著改善电池性能并延长电池的循环寿命，从而为设计下一代的锂离子电池提供新的策略。在传统锂离子电池中应用这种复合隔膜可显著提高倍率性能和循环寿命，为高性能锂离子电池提供了新的前景。
锂离子电池中的隔膜被用作电解质的储存器，具有控制离子传输的作用并显著影响着电池性能。聚合物隔膜（聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）），因具有优异的电化学稳定性和机械性能，通常被用作锂离子电池的隔膜。已有大量研究工作致力于提供具有各种功能的隔膜，使其可以抑制锂枝晶增长，减轻多硫化物的分解，或改善隔膜的热稳定性。例如，含有亲水聚合物或有序纳米级结构的隔膜可被用于改善电解质吸附性并减少枝晶的形成。石墨烯和金属氧化物也被涂在隔膜上用于减轻了多硫化物在锂-硫电池中的穿梭效应。诸如羟基磷灰石和聚酰亚胺等耐火材料也被用于解决可燃性问题。诸如SiO2，Al2O3和ZrO2的陶瓷颗粒也被掺入聚烯烃隔膜中，用于改善电解质的润湿性和隔膜的热稳定性以及机械性能。然而，这种功能化隔膜仍然缺乏调控离子传输过程的能力，仍表现出较低的的tLi+。尽管有部分报道例如磺化共聚物与隔膜结合用以改善tLi+，但是这种隔膜通常受隔膜中低锂离子浓度的限制，从而表现出较低的锂离子传导性。
近日，上海电力大学的彭怡婷和加利福尼亚大学的卢云峰教授（共同通讯）在Adv.Mater.上发表了一篇题为“Anion‐SorbentCompositeSeparatorsforHigh‐RateLithium‐IonBatteries”的文章。在这项工作中，MOF作为一种新型功能组件通过静电纺丝引入聚合物分离器中。他们最近发表了一系列基于MOF的固体电解质和液体电解质，其中MOF中的金属活性中心（OMS）可以与溶剂填充的孔道中的阴离子络合，释放Li+并提供高Li+电导率。与具有低表面积陶瓷颗粒的陶瓷涂层隔膜或具有低Li+导电性的聚合物材料不同，MOF结合的隔膜提供高表面积和丰富的OMS，可提供快速有效的锂离子传输。此外，使用这种含MOF的隔膜有助于抑制电解质的分解，从而改善循环耐久性。
