CRPS：王朝阳院士团队实现高比能电池的高安全和长寿命丨CellPress论文速递

物质科学

Physical science

近日，宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上发表了一篇研究论文，他们采用高镍三元材料，在电解液中加入少量的TAP使电池钝化，制备了高比能的锂离子电池（292 Wh/kg），同时具有极高安全性和高温稳定性（safe，energy-dense battery ，SEB）。

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背景介绍

高镍三元锂离子电池具有高比能量，但其电化学和热稳定性较差，有着较大的安全隐患。采用磷酸三烯丙酯(triallyl phosphate, TAP)添加剂不仅可以钝化电池，而且在导体表面形成绝缘层。在苛刻的针刺实验中，其安全性与磷酸铁锂电池比肩，并且在60oC循环2413次容量保持率高达76%。

成果简介

王朝阳院士团队采用高镍三元材料，在电解液中加入少量的TAP使电池钝化，制备了高比能的锂离子电池（292 Wh/kg），同时具有极高安全性和高温稳定性（safe，energy-dense battery ，SEB）。TAP添加剂具有类似血液中血小板的功能，在电池的导体表面形成电子绝缘层，能有效防止或减轻电池短路的危害 （图 1）。SEB 电池针刺后1秒电压从4.18V下降到3.77V，5秒时电池电压上升到3.91V，然后电压趋于稳定，由此显示针刺5秒内的自修复过程导致短路电阻显著增加。短路电阻（主要是钢针与电极和铜/铝集流体之间的接触电阻）高达786 mΩ，短路电流只有1.52 C， 电池温度上升到55oC，远低于热失控温度，表现出极高的安全性。

图1.  高能锂离子电池具有钝化、自修复特性从而具有高安全性能。

与常温下操作的常规电池相比，SEB 电池从常温通过自加热到60oC， 消耗3.1%的能量，功率提高了 59%，实现需要的大功率（图2）。

图 2.  温度对功率的影响

SEB-3 电池 （TAP: 1.5%）在60oC 循环1914次，容量衰减20%。而相同温度下，常规电池仅循环303 容量就衰减20%，SEB-3 电池的高温稳定性是常规电池的6.3倍。常规电池60oC 循环403次，电池厚度增加16.9， 而SEB-3 电池循环2413次，厚度增加6.7%，可见常规电池的厚度膨胀速度是SEB-3的15 倍（图3）。

图 3.  高温循环稳定性

电动车用电池，90-95%的时间处于待机状态（rest）, 电池的储存寿命非常重要。满充（100% SOC）的新的常规电池比新的SEB-3电池自放电速度快6倍左右，储存20天以后，自放电速度快3倍左右 （图4）。另外，满充的常规电池在60oC 产气而鼓胀 （图4）。

图4. 电池100% SOC的储存寿命

虽然高镍三元（NCM811）电池比磷酸铁锂电池贵25%， 但能量密度提高69%。图5总结了SEB电池在比能量、能量密度、功率、安全性、循环寿命、储存寿命等方面集合了常规电池和磷酸铁锂电池的优点。

图 5. SEB电池与常规电池，磷酸铁锂电池的比较

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，点击“阅读原文”查看论文

▌论文标题：

High safety and cycling stability of ultrahigh energy lithium ion batteries

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00299-X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100584

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