環(huán)化學(xué)院王勇教授課題組在鋰離子電池有機(jī)電極材料研究領(lǐng)域的最新研究成果論文.

鋰離子電池作為一種高性能的能量?jī)?chǔ)存裝置，已廣泛應(yīng)用于各類移動(dòng)電源和其他可再生清潔能源載體，而具有高能量密度和功率密度的新一代鋰離子電池日趨受到人們的關(guān)注。為進(jìn)一步提升鋰離子電池的各項(xiàng)性能，王勇教授和孫煒偉副教授課題組對(duì)環(huán)保可再生的有機(jī)電極材料在鋰離子電池上的應(yīng)用展開研究，通過分子層面的設(shè)計(jì)構(gòu)建了少層的兩維共軛共價(jià)有機(jī)框架電極材料，大幅度提升了有機(jī)電極的儲(chǔ)鋰性能，可逆儲(chǔ)鋰容量可以高達(dá)1500mAh/g，與高容量無機(jī)電極材料相比毫不遜色。這一研究成果實(shí)現(xiàn)了對(duì)有機(jī)框架材料結(jié)構(gòu)層間或內(nèi)部活性儲(chǔ)鋰位點(diǎn)的充分激發(fā)與利用，從而獲得了具有超高可逆儲(chǔ)鋰容量、優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的鋰離子電池有機(jī)電極材料。同時(shí)通過深入的分階段儲(chǔ)鋰機(jī)理探究，為有機(jī)框架電極材料的設(shè)計(jì)合成、衍生改型以及進(jìn)一步的應(yīng)用提供了一定的理論支撐與指導(dǎo)。

電動(dòng)車和手機(jī)的下一代鋰電池將會(huì)選擇能量密度更高和安全性更好的全固態(tài)鋰離子電池。我們國家為了加速新材料和全固態(tài)鋰離子電池研發(fā)，“十三五”期間首次設(shè)立了“材料基因組技術(shù)”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，并且希望通過材料基因組的高通量計(jì)算、合成、檢測(cè)及數(shù)據(jù)庫（大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)和智能分析）的新理念和新技術(shù)加速全固態(tài)鋰離子電池的研發(fā)，設(shè)立了“基于材料基因組技術(shù)的全固態(tài)電池研發(fā)”國家重點(diǎn)專項(xiàng)，該重點(diǎn)專項(xiàng)由北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授作為首席科學(xué)家，牽頭組織11家單位共同承擔(dān)。

該項(xiàng)目研發(fā)重要的部分包括新型固態(tài)電解質(zhì)及固態(tài)電池材料各界面調(diào)控的研發(fā)。固態(tài)電解質(zhì)主要分為無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)以及復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。傳統(tǒng)的固態(tài)聚合物電解質(zhì)接近常溫電導(dǎo)率低、電位窗口窄，無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)則是柔性差、具有較大的界面阻抗。作為二者的結(jié)合，復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)不僅具有柔性，并且在相對(duì)低溫下具有良好的電導(dǎo)率，具有廣闊的研究前景。

三個(gè)組分在其中各司其職，無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)提供了鋰離子的通道，還能使得復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；有機(jī)大分子PEO不但能夠傳導(dǎo)鋰離子，還起到了粘合陶瓷顆粒的作用；而有機(jī)小分子BPEG首先使PEO的結(jié)晶度降低，其次將固-固界面之間的硬接觸變?yōu)榱塑浗佑|，從而能夠使得鋰在金屬鋰上的沉積和脫出更加均勻。通過具有以上特性，該電解質(zhì)能夠很好地在物理上和化學(xué)上阻擋鋰枝晶的產(chǎn)生。此外，60攝氏度下將固態(tài)電池的磷酸鐵鋰與金屬鋰分別作為正負(fù)極對(duì)該復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，0.1C的倍率下取得了158mAhg-1的比容量，2C的倍率下取得了94mAhg-1的比容量。該研究對(duì)于固態(tài)電解質(zhì)的研究具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

該研究成果發(fā)表在最近的國際材料與能源的期刊上，該工作由潘鋒教授指導(dǎo)，由博士后楊盧奕作為第一作者及團(tuán)隊(duì)的合作下完成。該項(xiàng)工作得到國家材料基因重點(diǎn)專項(xiàng)和廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的支持。

北極星儲(chǔ)能網(wǎng)訊:近日，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、新能源研究院夏永姚教授課題組首次提出一種新型的鋰離子(鈉離子)電池體系，該體系正極采用一種含有碘離子、鋰離子/鈉離子的水溶液，負(fù)極采用一種固態(tài)有機(jī)聚合物，電解質(zhì)采用硝酸鋰或硫酸鋰的水溶液，聚合物離子交換膜作為隔膜將液態(tài)正極和固態(tài)負(fù)極分隔開。

據(jù)介紹，傳統(tǒng)的鋰電池的工作原理是基于鋰離子在正負(fù)極電極的嵌入/脫嵌，也稱“搖椅式電池”。新型電池工作原理與傳統(tǒng)的鋰離子電池相似：正極反應(yīng)基于溶液中I3-/I-電對(duì)的氧化還原，負(fù)極反應(yīng)基于聚酰亞胺上羰基的可逆烯醇化反應(yīng)，鋰離子/鈉離子聚合物交換膜為電池隔膜，充放電過程中伴隨著鋰離子Li+(或鈉離子Na+)在正負(fù)極之間的遷移。與傳統(tǒng)電池有限的循環(huán)壽命和功率密度相比，該體系中電池的正負(fù)極電極反應(yīng)均不涉及離子在固體材料中的擴(kuò)散及其由此引起的充放電過程中電極材料的體積，能夠?qū)㈦姵氐母吣芰棵芏群碗娙萜鞯拈L循環(huán)壽命與高功率密度有效地結(jié)合起來。實(shí)驗(yàn)表明，正負(fù)極材料均表現(xiàn)出較快的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，使得電池表現(xiàn)出類似電容器的高功率性能。電池在0~1.6V的電壓窗口之間充放電，可以循環(huán)高達(dá)50,000次，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)可充電電池的循環(huán)壽命(<10,000次)。

相對(duì)于現(xiàn)有使用金屬氧化物電極材料或有機(jī)電解質(zhì)溶液的二次電池和液流電池，這種新型的鋰離子(鈉離子)電池體系中所有的組分(包括水溶液電解液和電極材料聚酰亞胺和碘基活性物質(zhì))都是環(huán)境友好無污染的。而且該電池體系中電極反應(yīng)并不涉及金屬元素的氧化還原，這也大大降低了電池的制造成本。該電池具有能量密度高、功率密度大、循環(huán)壽命長、安全性高、成本低等優(yōu)異的性能，將來可望用于風(fēng)力、太陽能發(fā)電等能量?jī)?chǔ)存、智能電網(wǎng)峰谷調(diào)荷等。