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[天鹏·前沿]|中科院大规模制备无锂正极材料获进展

2016-11-12 那角落 >>微型电动车

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来源:中国科学院青岛生物能源与过程研究所


传统锂离子充电电池一般采用的是有机电解液,在有过度充电、内部短路等异常情况时可能导致电解液发热,有自燃甚至爆炸的危险。例如被称为“梦想航机”的波音787在2013年接连发生电池故障,最后由于电池缺陷被迫全球停飞;近来三星公司因电池“爆炸门”事件,目前已在全球召回430万台手机,造成了重大经济损失。因此,研发安全、可靠的电池具有十分重要的意义。


锂金属聚合物电池因具有高能量密度、良好的热稳定性以及安全性能高等优点,成为了研究的热点。该类型电池以聚合物电解质材料取代了传统锂离子电池中的液态电解液。由于聚合物材料具有柔韧性好、黏弹性好、易成膜、电化学及化学稳定性好、锂离子迁移数高等诸多优点,其安全性可大幅提高。此外,锂金属聚合物电池以锂金属作为负极,其理论容量高达3680 mAh g-1,然而电池整体的容量仍不高,主要受正极材料性能的限制。因此,研发性能优良的正极材料可大幅度提高锂金属聚合物电池的容量。


V6O13具有八面体结构,每一分子V6O13可以容纳8个锂离子,从而表现出高达417 mAh g-1和900 Wh kg-1的理论比能量。因为具有较高的理论容量以及良好的电子传导能力,V6O13已经被广泛作为电池正极材料进行研究。但是,在制备过程中,由于钒具有混合价态(V2+,V3+,V4+,V5+),导致该材料的可控制备存在较大挑战。


近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员梁汉璞带领的能源材料与纳米催化团队利用热重-红外联用技术,成功大规模可控地制备出高纯度的V6O13无锂正极材料。该技术成功地证明了商用V6O13正极材料中含有杂质,这些残留物会影响其电化学性能。将制备得到的V6O13作为正极材料的锂金属聚合物电池在125℃高温下进行充放电实验,实验结果证明,大规模制备得到的高纯度V6O13在初次放电过程中,比商业化的V6O13的放电容量提高将近10%,很好地阐述了V6O13的纯度与其电化学性能之间的构效关系。此外,该电池的高温测试结果证明其可作为油气井井下电源应用在油气田测井工具上。相关成果发表在《ACS应用材料和界面》(ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8, 25674-25679)上。


上述研究获得了中科院“百人计划”资金支持。



NH4VO3的红外3D图



商业化的V6O13的红外3D图



大规模制备的V6O13的红外3D图




商业化(上)和大规模制备(下)的V6O13放电曲线




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