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北大新材料学院在锂电池超快速充放电研究取得重要突破
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       随着锂离子电池在现代社会中的广泛应用,如电子产品、国防军事、电动汽车、可再生能源存储等,人们也对锂离子电池的性能提出了更高的需求。其中尤为重要的是锂离子电池的功率密度,而影响其功率密度的最重要因素是其倍率性能,即充放电速度。这将直接影响电动汽车的应用前景和可再生能源(如太阳能和风能)的快速存储和释放。尽管超级电容和氧化液流电池也具有快充快放性能,但其成本昂贵,且容量和循环稳定性都不及锂电池,所以发展超快速(超高倍率)性能的锂离子电池成为当今能源材料领域研究的重点和热点。
       近日,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队与复旦大学吴宇平教授合作在此领域取得重大突破。通过实验和理论计算,他们发现自主研发的纳米LiFePO4电池在水溶液中具有超快充放电速度,在600C(3600/600=6秒)充放电倍率下,容量可保持理论容量的42%。这一倍率性能超过2009年MIT Ceder教授在Nature上报道的最快充放电速度(400 C下容量保持36%),同时也发现比同等条件下有机电解液的充放电速度快~10倍。通过电化学实验和模拟,及量子化学第一性原理计算,发现LiFePO4超充放电的机理,关键是LiFePO4纳米颗粒与不同电解液接触形成的新的固液界面结构,该固液界面的结构成为锂离子脱嵌过程及锂离子输运速度的决速步。LiFePO4与水溶液电解质接触后,表面化学吸附键合水分子的氧原子弥补了表面的对称性破缺,形成了与体相对称性一样的结构,同时又形成了一层水合界面。这层界面不仅有类似于体相的结构,同时也具有溶液中锂离子的水合结构,形成一层Janus(古希腊神话中的双面神)界面。这将降低锂离子在界面处的脱嵌能垒,有利于锂离子溶剂化和去溶剂化过程。此项研究将为今后进一步提高锂离子电池倍率性能提供新的方法和视角,即通过调控正极材料的界面性质提高锂电池的倍率性能。相关工作近期发表在国际材料顶级期刊Nano Letters上面:(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b02379)。

 图:LiFePO4与水溶液电解质接触后形成的”Janus”固液界面,此界面既具有类似于体相的结构,又具有类似于溶剂化锂离子的结构。这种界面结构将有利于锂离子在界面附近的输运,从而提高锂离子电池的倍率性能。
       新材料学院博士后郑家新、段彦栋,复旦大学侯宇阳是该论文的共同第一作者。该工作和合作作者还包括美国伯克利国家实验室的Lin-Wang Wang教授、美国陆军实验室的Xu Kang教授、中科院化学所林原教授。该项工作得到了国家新能源汽车(动力电池)技术创新项目、广东省引进科技创新团队项目、深圳市科技创新基础项目、美国能源部以及深圳国家超算中心的支持。


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文章链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b02379
Jiaxin Zheng1, Yuyang Hou1, Yandong Duan1, Xiaohe Song, Yi Wei, Tongchao Liu, Jiangtao Hu, Hua Guo, Zengqing Zhuo, Lili Liu, Zheng Chang, Xiaowei Wang, Danylo Zherebetskyy, Yanyan Fang, Yuan Lin, Kang Xu, Lin-Wang Wang, Yuping Wu*, and Feng Pan*,Janus Solid–Liquid Interface Enabling Ultrahigh Charging and Discharging Rate for Advanced Lithium-Ion Batteries,Nano Lett., 2015, 15 (9), pp 6102–6109