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亚博足彩光伏研究院储电技术研究与开发

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    亚博足彩光伏研究院设立储电技术研究所,目前主要集中于锂离子电池与材料的研究。锂离子电池由于具有高输出电压,高比容量,高安全性等优点,广泛用于电脑、手机等便携式电子产品中,并逐渐成为动力与储能的主导电源。本所主要研究方向包括锂离子电池正负极材料的制备与改性;新型快离子导体材料的结构设计与可控合成;高倍率性能电解液的制备与改性;全固态锂离子电池的结构设计与性能优化等。目前研究所已获得国家自然基金、中国博士后基金、江西省教育厅落地计划、江苏润锦能源科技有限公司横向课题、江西正拓新能源科技股份有限公司横向课题等项目的支持。


1  高倍率性能磷酸铁锂正极材料制备与性能改善 (汤昊 胡友根 谌伟庆)

 
    橄榄石型的磷酸铁锂(LiFePO4)以其绿色环保,超长的循环寿命以及极好的安全性等特点成为锂离子动力电池最有潜力的正极材料之一,然而LiFePO4在充放电过程中的电导率低和锂离子扩散率低的固有缺陷不利于材料倍率性能的发挥,这极大地限制了LiFePO4的电化学性能,阻碍了其在商业化电池特别是在动力电池中的应用。另一方面,目前磷酸铁锂正极材料生产技术主要采用高温固相法合成,合成的时间长,能耗大,并且产物粒径不易控制, 分布不均匀, 形貌也不规则,这也严重影响了磷酸铁锂的充放电性能特别是大电流充放电性能,使磷酸铁锂正极材料的生产规模与品质远远跟不上市场发展的需求。
    我们发展了溶剂热反应法,通过加入CO小分子做模板,将一维单个纳米颗粒LiFePO4构筑成三维有序分级空心海胆结构,并研究其表面形貌、孔径大小等结构特性与材料的电化学性能之间的关系,探讨在充放电过程中LiFePO4的结构变化规律和破坏机理。这一创新的合成方法操作简单,能耗低,易于大规模生产,三维有序分级空心结构的构造可以大幅提高LiFePO4的电子电导率与锂离子扩散速率,通入气体也有利于反应均匀,这一尝试有望改善LiFePO4倍率容量低和粉末颗粒一致性差的缺点,为LiFePO4正极材料规模生产与性能改善提供基础。
    

海胆状纳米磷酸铁锂的扫描电镜图


2  高倍率容量三元锂动力电池正极材料的制备与产业化(汤昊 孙晓刚)

  
    世界电动汽车商业化的障碍是如何降低电池的成本、安全性与大功率充放电性能。正极材料是电池的关键部位之一,传统锂电池的的正极材料为钴酸锂,工作温度为130℃。三元材料(LixNiyCozMn1-y-zO2)采用镍锰取代价格昂贵的钴,使材料具有相对低廉的价格,成本仅相当于钴酸锂的1/4,安全工作温度可达170℃,大幅提升了使用安全性,有利于消费者的人身安全。此外,三元材料的容量几乎相当于钴酸锂1.7倍,循环寿命也延长了45%,因此以三元材料作为正极的新型锂电池,基本满足了动力电池材料的全部需要,在锂动力电池正极材料中极具应用前景。然而三元材料首次充放电效率低、锂层中阳离子的混排,对材料的首次充放电效率及循环稳定性都有影响,特别是倍率容量,在大电流充放电时容量与循环稳定性差异大是动力电池三元正极材料产业化所要克服的主要问题之一。我们通过增加锂的含量,来减少金属离子的混乱度,改善其结构稳定性,同时提高其导电率。并将制备好的三元材料与分散好的碳纳米管、纸浆一起分散均匀,真空干燥后用液压机将纸电池正极压实,制备成三元复合正极材料。这种方法使正极活性材料和集流极合为一体,简化了动力电池的制造工艺,显著提高电池的倍率性能。该项目技术目前正在实施产业化。
 
说明: C:/Users/Administrator/Desktop/wo.bmp
 高倍率容量三元正极材料的扫描电镜图
                

3  纳米金属氧化物负极材料的常温溶剂法制备及储锂性能研究(汤昊 刘浩文)

   
    以金属氧化物取代碳负极,提高锂二次电池的容量,是目前的一个研究热点。但脱嵌锂过程中金属氧化物晶体体积膨胀收缩大,容量衰减快。我们设计了制备纳米金属氧化物SnO2、NiO、Fe2O3等的新路线,在常温下将上述金属盐加入无机/有机的混合溶剂中,通过调控搅拌速率、反应时间、阴、阳离子和溶剂的种类,获得不同形貌的纳米金属氧化物。前期研究发现,阴、阳离子是影响产物形貌的关键因素之一。在此基础上,采用XRD、SEM、TEM和XPS表征产物形貌和结构,系统考察阴、阳离子和混合溶剂的作用机制,阐释异相生成新晶核的共性,为合成其他系列的金属氧化物提供参考,揭示纳米晶自组装的差异性,实现金属氧化物的可控制备;并结合循环伏安、交流阻抗和充放电测试等研究产物在储锂过程中的体积变化效应、表面活性效应、电化学团聚、锂离子和电子的脱嵌动力学,探讨组成,结构和性能之间的关系,为锂动力电池的发展提供研究基础。
 
 单晶纳米球SnO2的扫描电镜图    
  

高容量、长寿命硅负极材料制备与性能(岳之浩 周浪 汤昊 李晓敏 孙福根 尹传强)


        因其具有4200mAh/g的高理论储锂比容量而可望成为新一代高容量密度锂离子电池的负极材料,但其充放电过程中巨大的体积膨胀以及较低的导电性所导致的循环稳定性问题严重限制了硅负极材料的产业化应用。我们采用多孔硅结构在提高硅材料充放电循环稳定性方面获得一定的效果,其SEM图如下所示,但该方法并不能完全解决此问题。
 多孔硅SEM图片
    为了深入了解硅材料自身导电性对其充放电性能的影响规律,我们将不同电阻率硅片进行球磨制得的硅粉与商用石墨粉的混合物作为锂离子电池负极材料,发现随着硅材料自身电阻率的降低,其充放电比容量越高、倍率性能越好,具体结果如下所示。

不同电阻率硅材料的(a)电压比容量曲线和(b)倍率性能曲线
    为了获得高导电性的硅粉体材料,我们对硅粉体进行改性处理以提高其自身导电性,最终获得了4000倍的提升,本研究可望进一步推进硅负极材料的产业化应用。

5 其它研究工作

    包括三元类正极材料的表面改性与产业化、非金属集流体电极的制备及其在锂离子电池中的应用、新型快离子导体材料的结构设计与可控合成、高倍率性能电解液的制备与改性、全固态锂离子电池的结构设计与性能优化等,这些项目已处于调研与筹备阶段。