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清华大学在超长寿命高倍率锂离子电池材料研究方面取得突破

作者:中国储能网新闻中心  来源:清华大学  发布时间:2017-9-22 12:46:16

中国储能网讯:9月20日,清华大学材料学院唐子龙教授研究组在《自然 通讯》(Nature Communications)上发表题为《一种钛酸锂水合物——用于快速充放电且稳定循环的锂离子电池》(Lithium Titanate Hydrates with Superfast and Stable Cycling in Lithium Ion Batteries)的研究成果。该成果针对钛基储能材料领域,报道了一系列钛酸锂水合物,应用于超长循环寿命且高倍率性能的锂离子电池,有效拓展了储能材料的研究范围,并提供了电极材料改性的新思路。

图1. Li2O-TiO2-H2O三元相图及钛酸锂水合物的合成路线图。

目前常用的锂离子电池均采用有机电解液,其中所含的电解质六氟磷酸锂(LiPF6)是一种遇水易分解的物质,因此传统观念中锂离子电池的电极材料都是需要在高温下煅烧来充分除水。但是这会使得材料发生颗粒团聚和晶粒粗化等难以避免的副反应。而唐子龙教授研究团队发现的锂-氢-钛-氧(Li-H-Ti-O)体系材料与目前国内外报道的性能优异的锂-钛-氧(Li-Ti-O)体系、钛-氧(Ti-O)体系材料(包括纳米化、掺杂和包覆之后的材料)相比,具有相当甚至更加优异的电化学性能。作为含“水”的电极材料,这类钛酸锂水合物能够在高电压有机电解液体系中实现长达上万次的稳定循环,这打破了人们的传统认知。在材料晶体内部牢固结合的所谓“结晶水”,非但没有破坏电极材料在有机电解液体系下的电化学性能,反而促进了晶体结构的多样性(如二维层状)以及纳米复合材料的构筑,从本质上提高了材料的离子扩散系数。

图2. 钛酸锂水合物合成过程及材料快速嵌锂/脱锂过程的示意图。

运用锂-氢-钛-氧(Li-H-Ti-O)体系材料的改性新思路及其本质性、普适性的特征规律,可以拓展该体系电极材料性能调整及优化的自由度,还有望对其它含氢组分的过渡金属化合物体系在能源材料领域的应用提供较大的启发与指导依据。

图3. 钛酸锂水合物前驱体在加热脱水过程中的X射线衍射分析(a-b)以及电化学性能对比图(c-d)。

论文的通讯作者为清华大学材料学院唐子龙教授、美国阿贡国家实验室的陆俊研究员和美国麻省理工学院的李巨教授,第一作者是清华大学材料学院2012级博士生王诗童。该研究得到了国家自然科学基金、美国国家科学基金以及美国能源部等项目的资助。

关键字:锂电池

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