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《《Nature》发表!成果或将大幅提升锂电池循环寿命和快充性能》

  • 来源专题：可再生能源
  • 编译者： 武春亮
  • 发布时间：2024-05-22
  • 近日,原子能院中国先进研究堆全面开放应用取得重要进展!荷兰代尔夫特理工大学的Marnix Wagemaker教授团队与原子能院核物理研究所中子散射团队合作,在国际顶级期刊《Nature》(《自然》)上发表了
    锂离子电池
    领域的最新研究成果,题目为“Chemical short-range disorder in lithium oxide cathodes”(“锂离子氧化物正极中的化学短程无序”)。这是两个团队在《Nature Sustainability》(《自然可持续性》)和《Nature Communication》(《自然通讯》)期刊合作发表论文后的又一创新成果,或将大幅提升锂电池循环寿命和快充性能。
    此次研究围绕有序层状氧化物开展,这是目前锂离子电池中最重要的
    正极材料
    之一。在进行深度充电时,该结构框架容易受到晶格应力、结构或机械化学降解的影响,导致电池容量急剧下降,从而导致电池寿命缩短。Wagemaker教授团队联合原子能院、中国科学院物理所、清华深研院等单位,提出了一种解决方法,成功将化学短程无序(Chemical short-range disorder,CSRD)引入到氧化物正极中,精确调节了锂和钴元素在晶格中的局域分布,使其跨越几个最近邻格点的间距,从而显著提升了锂电池的循环寿命和快充性能。研究利用中子粉末衍射技术获得锂和钴元素的分布特征,发现大约2.6%的钴离子位于锂层中,为证明CSRD结构提供了关键证据。
    a. 正极材料LiCoO2的中子衍射谱
    b. LiCoO2的晶体结构及结构中锂和钴元素的分布特征
    中国先进研究堆共拥有25根垂直孔道,9根水平孔道,建成15台中子散射谱仪,性能指标达到整体国际先进、部分领先水平,可开展中子散射、中子成像、中子活化分析、燃料材料考验、放射性核素生产等工作。2023年以来,中国先进研究堆中子科学平台积极面向国内外研究机构用户开放,支撑了荷兰代尔夫特理工大学、北京大学、清华大学、中国科学院等国内外用户单位百余家实验课题研究,在国际科技前沿和国家重大需求方面,取得了一系列重要科技成果。
  • 原文来源：https://news.bjx.com.cn/html/20240517/1377727.shtml
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相关报告

  • 《“打一针”让锂电池寿命增十倍 复旦新成果登上《自然》》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-02-14
    • 当锂电池的寿命即将终结时，为它“注射”一针新分子，就能使它恢复原本的充电容量，甚至使得原本只能保证6-8年/1000-1500次充放电的电池，维持1万次充放电，且电池健康水平与出厂时几乎仍然一样。这是复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程全国重点实验室、纤维材料与器件研究院、高分子科学智能中心彭慧胜/高悦团队完成的最新成果。 相关研究以《外部供锂技术突破电池的缺锂困境和寿命界限》（“External Li supply reshapes Li-deficiency and lifetime limit of batteries”）为题，2月13日发表在《自然》主刊。 从1千到1万 锂电池在生活中越来越重要，但关于锂电池，却有许多未解的难题。比如，电动车电池的寿命有限、低温使用加速电池损坏、储能电站和极端环境储能场景对电池寿命的需求提升至少一个数量级等，更不用说，随着新能源相关行业发展，我们很快会面临大规模电池退役回收，而这很可能造成环境的污染和资源的浪费。如何延长锂电池的寿命？彭慧胜、高悦团队一直在思考如何通过基础研究创新来提供解决方案。此次团队提出了打破电池基础设计原则中锂离子依赖共生于正极材料的理论，通过AI和有机电化学的结合，成功设计了新的锂载体分子，将电池活性载流子和电极材料解耦。 “这一锂载体分子从未被公开报道过。”高悦告诉记者。但是这种载体分子可以像药物一样，通过“打针”的方式注入废旧衰减的电池中，精准补充电池中损失的锂离子，恢复容量。使用这一技术，电池在充放电上万次后仍接近出厂时的健康状态，循环寿命从目前的500-2000圈提升到超过12000-60000圈。更重要的是，电池材料必须含锂的束缚规则也被打破，使用绿色、不含重金属的材料构筑电池成为可能。 基础科学与AI研究范式的结合 电池中的活性锂离子由正极材料提供，锂离子损耗到一定程度后电池就不得不报废，这是锂离子电池自1990年问世以来一直遵循的基本规律。此次团队通过构建新分子并用于对电池的“康复”，可说是“异想天开”和AI研究范式的结合。 高悦告诉记者，他们通过大量验证发现，电池衰减和人生病一样，是某个核心组件发生了异常，而其它部分仍然保持完好。“那为什么不能像治病那样，为电池进行精准的、原位无损的锂离子补充呢？”团队提出了大胆设想——设计锂离载体分子，将其注射进电池。 但是，目前人类已知的任何分子都不具备这样的功能，同样也无法依靠理论和经验进行设计。为此，团队利用AI结合化学信息学，将分子结构和性质数字化，引入有机化学、电化学、材料工程技术方面的大量关联性质，构建数据库，利用非监督机器学习，进行分子推荐和预测，成功获得了从未被报道的锂离子载体分子——三氟甲基亚磺酸锂（CF3SO2Li）。 团队合成新分子后，验证了其具备各种严苛的性能要求，且成本低、易合成。同时针对现实需求，团队研究相关的验证实验都在真实电池器件上完成。验证发现，这一分子和解决方案与各类电池活性材料、电解液以及其他组分都有良好的兼容性，成功在软包、圆柱、方壳和纤维状锂离子电池器件上实现应用。 目前，团队正开展锂离子载体分子的宏量制备，并与国际顶尖电池企业合作，力争将技术转化为产品和商品，助力国家在新能源领域的引领性发展。复旦大学为这一成果的独立通讯单位，彭慧胜和高悦为该论文通讯作者，高分子科学系博士研究生陈舒为第一作者，合作单位包括南开大学、湖南工程学院和深圳大学，研究得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委、复旦大学科学智能专项基金等项目支持。
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  • 《硅和磷烯复合物阳极大幅提升锂电池充电速率及容量》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-11-26
    • 印度科学教育和研究学院（Indian Institute of Science Education and Research,IISER）的一支研究团队采用硅和磷烯（phosphorene）研发全新的复合物，用于制作锂离子电池的阳极，该团队由Satishchandra Ogale牵头。 据科研人员透露，该材料非常高效，相较于当前的锂离子电池，新款阳极材料将电池的充电速度和电池容量分别提升了3倍和5倍，同时还降低了电池的整体重量。若仅将硅用作电池的阳极材料，会导致其循环稳定性较弱。 作为实验的一环，IISER研发人员利用磷烯，在纯型的二维材料，其利用纳米硅颗粒物及少量黑磷烯层或纯磷烯来制作电池阳极。 Ogale表示：“事实上，使用磷烯所取得的性能优势源自于磷烯的结构性设计，可提供较高的灵活性及弹性。而高度的机械灵活性使其能够容纳电池内的锂离子，提升电池的充电速度。” 研究人员表示，该电池采用了新研发的材料，该类材料或许也能被用于传感器、场效应晶体管（field effect transistors）及光电元件（optoelectronic devices）。 IISER或许能在实现相同容量的情况下，缩小电池的尺寸并减轻其重量。 该研究的首席作者Kingshuk Roy表示：“尽管硅基电池是未来的发展方向，最大的挑战在于维持其高度的稳定性，从而延长电池的充放电使用寿命。” 在第一次充电测试中，新款电池的容量保持率为78%，这意味着不可逆损失（irreversible loss）微乎其微，而这类不可逆损失恰恰是锂电池硅基阳极与碳复合物混合后的通病。 磷烯具有结构性优势，可被用作粘合剂，防止开裂。在高充电速率条件下，对其进行观察。 据称，该款材料制作的锂电池可耐受数百次充放电循环。
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