南京大学周豪慎团队研发出500Wh/kg锂电池 ——电动汽车续航800公里成为可能

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近日，南京大学周豪慎教授研究团队提出一种稳定的、大容量的基于阴离子氧化还原活性的正极材料体系，该体系的工作原理是通过氧化锂（Li₂O）与过氧化锂（Li₂O₂）之间的可逆转化实现电池的充放电过程。基于该体系，周豪慎团队成功地开发出比能量为513.5 Wh/kg的Li/Li₂O二次电池软包（基于软包整体质量），该电池充放电循环100周之后容量保持率达到80%。此外，该电池的正极材料中仅含1.59wt%的镍，相对于高镍三元正极来说，可以大幅降低该电池的成本，有利于该电池的商业化。该研究成果于2020年6月9日发表在Cell Press旗下期刊《Joule》上。(Qiao, Y. et. al., Joule 4, 1-14, 2020.)。南京大学现代工学院为论文第一单位，周豪慎教授为通讯作者，该工作获得国家重点研发计划“新能源汽车”专项和国家基金委重点基金资助。

长距离续航电动汽车的发展受制于高比能量二次电池的开发。现有报道的基于NCM正极材料的金属锂软包电池的比能量已达到300 Wh/kg（基于软包质量）。在正极材料的设计过程中，不局限于传统过渡金属氧化还原提供容量，利用Li₂O与Li₂O₂之间的可逆转化，能够为正极体系提供很高的能量密度。热力学理论计算得知，Li₂O/Li₂O₂转化理论容量为897 mAh/g（基于Li₂O活性材料），热力学平衡电位2.86 V vs. Li/Li⁺，理论比能量2565.42 Wh/kg。然而，基于Li₂O的正极材料，最主要的问题集中在一定充电深度后诱发的不可逆氧气析出。因此，Li₂O正极材料的实际可逆容量往往会低于理论容量。如何扩大无氧气析出（以及其他不可逆氧行为）的“安全”充电深度成为开发该类电极体系的重中之重。

2019年，周豪慎教授研究团队开发出金属Ir基的催化框架用来包裹Li₂O正极颗粒，并实现了高达630 mAh/g（基于Li₂O活性材料）的可逆充放电循环[1]。但是，金属Ir的价格大大影响到了其实用性角度的拓展。因此，开发廉价的催化剂体系，并进一步降低Li₂O正极中非活性的导电催化框架的占比，成为改进该体系的重点研发优化方向。该工作中引入的Ni基碳合金（carbon-alloy-catalyst, CAC）导电+催化框架大大降低了正极成本，并同时实现了高达750 mAh/g（基于Li₂O活性材料）的可逆“安全”充电深度。即使将非活性的Ni-CAC框架质量考虑在内，正极材料放电输出的能量密度可达到1202.3 Wh/kg（基于Li₂O+Ni-CAC的质量之和）。该正极材料的输出能量密度是NCM-622正极的1.75倍。同时，通过对醚类电解液的优化，匹配金属锂负极组成软包全电池之后，首圈输出能密度高达513.5 Wh/kg（基于软包质量），并且100圈之后仍保持大于400 Wh/kg的能量密度。         

图（A-B）基于Li₂O@Ni-CAC正极体系的金属锂全电池（软包）性能。在两组不同正极负载量的软包电池中，输出的比能量分别能够达到414.6和513.5 Wh/kg（计算基于软包整体质量）。其中500 Wh/kg量级的软包电池在100圈循环之后，放电输出的能量密度仍然高于400 Wh/kg。（C）软包电池卷绕模式和各组分参数列表。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.05.012

来源：南京大学现代工学院

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