薄膜锂离子电池负极材料的研究进展

全固态薄膜锂离子电池是锂离子电池的最新研究领域,其能量密度高、厚度薄、循环寿命长、可靠度高。薄膜化的负极材料是锂离子电池的重要组成部分,负极薄膜材料制备方法的研究取得了较大的进展,未来研究重点是低成本、低能耗、高综合电化学性能的负极薄膜材料以及可批量生产的薄膜制备技术。对薄膜化的硅负极材料、金属或合金薄膜材料、氧化物薄膜材料和复合薄膜材料近几年来的研究状况进行了综述,并对其发展前景进行了展望。     

Thermal runaway propagation mitigation of lithium ion battery by epoxy resin board

动力电池热失控扩展阻隔是抑制大规模电池火灾的重要途径。本文采用环氧树脂板（ERB）阻隔锂离子电池的热失控扩展,分析不同厚度ERB对串联及并联模组的热失控阻隔作用。结果表明,ERB可降低热失控电池模组的最高温度,减轻电池热失控剧烈程度,避免喷射火焰的产生;对于并联的电池模组,采用2 mmERB的锂电池模组的电池间热失控扩展平均时间间隔为198 s,为无ERB时的2.29倍,采用4 mm ERB时平均时间间隔延长至无ERB时的5.57倍;对于串联的电池模组,采用2 mm ERB时电池热失控扩展平均时间间隔延长至无ERB锂电池模组的2.09倍,采用4 mm ERB时可完全阻止热失控扩展;研究发现并联的电池模组相对于串联模组更容易扩展,其原因为并联模组单个电池热失控时会形成电回路并产生焦耳热。     

Interpretation of anode material standards for lithium ion batteries

随着锂离子电池行业的兴起,其负极材料也得到了蓬勃发展。我国在锂离子电池领域所占据的市场份额仅次于日韩,已有多家负极材料厂商处于世界先进水平。为了促进锂离子电池负极行业的健康发展,我国从2009年开始就陆续颁布了相关标准,涉及原料、产品和检测方法,提出了各项参数的具体指标,并给出了相应的检测方法,对负极材料的实际生产和应用起到了指导性作用。本文介绍了这些标准的主要内容和要点,包括晶体结构、粒度分布、密度、比表面积、pH值、水含量、主元素含量、杂质元素含量、首次放电比容量和首次充放电效率。此外,本文还对今后的标准制定工作提出了部分建议。     

Interpretation of the electrode binder standard for lithium ion battery

电极黏结剂是锂离子电池的重要辅助功能材料之一,虽然本身没有容量,但却是维持电极完整性的关键,决定了电极涂层的附着力和电极的柔韧性,并会影响到电极浆料的流变特性等工艺性能。本文主要分析了与电极黏结剂相关的国内标准,对锂离子电池电极黏结剂的相关特性和测试方法进行了介绍,并对未来电极黏结剂标准的制定提出了建议。     

Progress of inorganic solid electrolyte for lithium ion batteries

目前,商品化的锂离子电池电解液主要以碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯等有机溶剂为溶剂,在电池使用过程中,存在电解液分解、锂枝晶生成和漏液等问题,从而影响电池的稳定性和安全性。无机固态锂电池电解质具有热稳定性高、电化学性能稳定、与高电压正极材料相容性好、安全性高及环境友好等优点,是目前储能领域研究的一个热点。研究和开发具有高离子电导率的无机固态电解质是促进其在电池中应用的关键和难点,本文综述了几类目前研究较多的LiPON型、钙钛矿型、石榴石型、LISICON型电解质,重点关注了其在离子电导率方面的研究及应用进展。     

Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries (XV) ——Summary and outlook

自摇椅式可充放锂电池概念由Armand M等人在1972年提出,锂离子电池的基础研究历经43年,在材料体系、电化学反应机理、热力学、动力学、结构演化、表界面反应、安全性、力学行为等方面不断取得更为深入广泛的认识,并最终推动锂离子电池技术发展和成功实现了商业化。锂离子电池面临着电池性能需要全面提升、应用领域需进一步拓宽的强劲需求,因此要求基础研究能够提供创新的、更好的技术解决方案,对锂离子电池材料复杂的构效关系能精确认识,对于电池在制造和服役过程中的失效机制有全面的理解,对各种控制策略的效果能提供可靠的科学依据。同时,锂离子电池的发展也在促进着固态电化学、固态离子学、能源材料、能源物理、纳米科学等交叉基础学科的发展。作为“锂离子电池基础科学问题”讲座的最后一篇文章,本文对锂离子电池基础研究的科学问题,存在的难点、发展趋势进行了总结。     

Research progress on safety of lithium ion battery electrolyte

锂离子电池的能量密度及其安全问题是限制其在电动汽车应用中的主要障碍。随着能量密度的不断提升,当务之急是有效解决锂离子电池的安全性问题。锂离子电池安全问题本质上与当前电解液中使用的高挥发性、易燃的有机溶剂有关。因此,本文主要从电解液的燃烧性角度,介绍了电解液在锂离子电池材料安全性方面的研究现状,包括阻燃添加剂、不燃性氟代有机溶剂、高浓度电解液及固液混合电解质的应用等,分析其对安全性能提升的机理,并对电解液的发展方向进行了展望。     

纳米石墨化碳在锂离子电池中的应用进展

纳米石墨化碳因其优异的导电、导热及力学性能近年来备受重视,并在锂离子电池体系中得到广泛运用。纳米石墨化碳具有的优异电学性能及纳米尺度结构特征使其在解决锂离子电池中高导电性、导热性、充放电过程中的柔性及结构稳定性等方面发挥了重要作用。本文综述了近年来纳米石墨化碳在锂离子电池应用中的最新进展和研究热点,包括纳米石墨化碳在锂离子电池中直接充当高容量负极材料,纳米石墨化碳作为高性能骨架材料为电极提供导电及力学网络,与硅、金属氧化物等高容量电极材料复合形成同轴、核壳等结构的高容量电极材料甚至柔性电极等。如何进一步认识纳米石墨化碳储锂机制,发展其精确可控制备科学和工程技术,进而在三维尺度上构建高效的锂离子电池电极材料结构仍是未来的重点研究方向。     

Analysis of safety performance of lithium-ion power battery during life cycle based on non-destructive testing

基于在不同条件下对车用三元锂离子动力电池的充放电循环试验,分析电池寿命衰减程度及其影响因素。利用X-ray无损检测技术,测试以不同倍率大小电流进行充放电循环前后三元锂离子动力电池的内部结构变化,并评价了电池寿命衰减和安全失效程度,为研究电池寿命衰减及安全失效提供了新的方法。在充放电循环周期过程中,随着电池容量的不断衰减,基于无损检测技术可以获得电池内部结构出现越来越明显的缺陷,说明电池的寿命衰减速度越来越大,其安全性也越来越差。以不同倍率大小电流进行充放电循环后,将不同SOH状态下内部结构的断层扫描图像进行对比,发现车用三元锂离子动力电池的内部结构发生了不同程度的变化,说明与循环前相比电池的使用寿命有不同幅度的衰减。     

New titanium (III) phosphite structure and its application as anode for lithium ion batteries

A new titanium (III) phosphite Ti₂(HPO₃)₃, has been synthesized under hydrothermal conditions. The solid-state structure of this material was solved using single-crystal X-ray diffraction. The anionic inorganic skeleton has a three-dimensional structure, which is built up by TiO₆ octahedral units linked together via bridging HPO₃ pseudo pyramids, giving rise to tunnels along the three crystallographic axes. This new compound displays a high thermal stability limit of 625 °C. IR and Raman spectroscopies show the vibrational modes of the (HPO₃)²⁻oxoanions. Electrochemical activity of this phase toward reversible insertion of Li ion was studied for the first time by galvanostatic charge-discharge measurements, an insertion host for reversible accommodation of Li⁺ was observed.     

Review of research on heat generation characteristics during charging and discharging of lithium ion batteries

电动车辆的性能和成本很大程度上取决于动力电池组的性能和使用寿命,而电池组的性能和使用寿命又受到电池单体产热的影响。研究锂离子电池充放电过程中的产热特性及影响因素,对锂电池的开发及使用具有指导意义。本文从环境温度、充放电倍率、电池材料、荷电状态和老化程度五个方面入手,综述了各因素对锂离子电池产热的影响。     

Research progress on Si/C composites as anode for lithium ion batteries

硅基负极材料具有比容量高、电压平台低、环境友好、资源丰富等优点,有望替代石墨负极应用于下一代高比能锂离子电池。但是硅的导电性较差,且在充放电过程中存在巨大的体积效应,极易导致电极极化、材料粉化、SEI膜重构、库仑效率低和容量持续衰减。硅和碳复合能很好地综合两者的优势,形成结构稳定、循环性好及容量高的负极材料。本文从不同维度的硅（SiNPs、SiNTs/SiNWs、SiNFs、Bulk Si）与碳复合这一角度,综述了硅碳复合材料在结构设计、制备工艺、电化学性能等方面的最新研究进展,并对未来的硅碳复合材料的研究工作进行了展望。     

Calculation on energy densities of lithium ion batteries and metallic lithium ion batteries

锂电池是理论能量密度最高的化学储能体系,估算各类锂电池电芯和单体能达到的能量密度,对于确定锂电池的发展方向和研发目标具有重要的参考价值。本工作根据主要正负极材料的比容量、电压,同时考虑非活性物质集流体、导电添加剂、黏结剂、隔膜、电解液、封装材料占比,计算了不同材料体系组成的锂离子电池和采用金属锂负极、嵌入类化合物正极的金属锂离子电池电芯的预期能量密度,并计算了18650型小型圆柱电池单体的能量密度,为电池发展路线的选择和能量密度所能达到的数值提供参考依据。同时指出,电池能量密度只是电池应用考虑的一个重要指标,面向实际应用,需要兼顾其它技术指标的实现。     

Benzimidazole and imidazole lithium salts for battery electrolytes

The intrinsic anion oxidation potential (ΔE_v) and lithium ion pair dissociation energy (ΔE_d) are two important properties for predicting the potential use of new lithium salts for battery electrolytes. In this work several cyano substituted fluoroalkylated benzimidazole and imidazole anions have been investigated computationally to obtain ΔE_v and ΔE_d. Varying the number and position of cyano substituents results in large effects on the electrochemical stability of the anion and on the possible lithium ion pair configurations. The lengthening of the fluoroalkyl group introduces several new stable ion pair configurations and a small increase in anion oxidation stability. The most promising fluoroalkylated anions in the present work are the 4,5,6,7-tetracyano-2-fluoroalkylated benzimidazolides (TTB and PTB), with oxidation potentials suitable for high voltage Li-ion battery applications (<4.2 V) and much improved ΔE_d compared to PF₆⁻—a benchmark for commercially available anions. Further improvements in ΔE_d, with maintained stability towards oxidation, are obtainable by replacing the fluoroalkyl group by an additional cyano group, but possibly demanding increased synthesis efforts.     

Progress in lithium polymer battery R&D

In this paper the characteristics and performance of composite polymer electrolytes formed by dispersing selected ceramic (e.g. γ-LiAlO₂, Al₂O₃, SiO₂) powders in poly(ethylene oxide)–lithium salt (e.g. PEO–LiCF₃SO₃) matrices, are reported and discussed. Particular emphasis is devoted to the role of these composite electrolytes in providing the conditions for stabilizing the interface with the lithium metal electrode, as well as for enhancing the electrolyte’s overall transport properties. Finally, results based on tests of practical prototypes demonstrate that these unique properties allow the development of new types of high performance, rechargeable lithium polymer batteries.     

A review of international safety testing standards and regulations for lithium ion power batteries

研究了国内外具有代表性的动力锂电池安全性测试标准及规范,包括ISO 12405、IEC 62660、SAE J2464、SAE J2929、UL 2580、ECE R100-02、GB/T 31485、GB/T 31467.3和FreedomCAR。将安全性测试项目分为机械安全性、环境安全性和电气安全性3类,详细介绍了各试验项目在不同标准规范的具体参数,总结了我国国标与国外标准的异同,最后指出了现行标准规范中的不足,提出了改进意见。     

Based on the materials genome of all solid state lithium ion battery realized national project

2011年6月美国启动“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative,MGI）,变革了材料的研究与开发方式,大大加速新材料的发现,提高了材料从发现到应用的速度。我国于2016年启动首批 “材料基因工程关键技术与支撑平台重点专项”国家重点研发计划,其中,“基于材料基因组技术的全固态锂电池及关键材料研发”于2016年8月获得审批通过正式立项。北京大学深圳研究生院潘锋教授为负责人联合国内11家单位申请该项目并获得资助。该项目将开展材料基因组高通量计算、高通量制备和高通量检测等技术研究,并运用材料基因组技术指导和加速全固态锂离子电池及关键材料的研发,开发全固态电池样机,从根本上解决锂离子电池安全性问题。     

Development of efficient carbon anode material for a high-power and long-life lithium ion battery

The Li ion battery with high power and long life is required for the hybrid electronic vehicle. A new carbon anode material called “ICOKE” has been prepared by the graphitization of coke at ca. 2000 °C and is shown to have excellent pulse charge/discharge characteristics and long cycle performance. The charge/discharge reaction mechanism of ICOKE was investigated in detail based on the result of cyclic voltammetry and X-ray diffraction profile change of ICOKE before and after charging. As a result, it was found that Li-intercalation reaction to ICOKE proceeds without forming higher stage compounds and the 1st and the 2nd stage compounds are directly formed.     

Structural characterization and electrochemical properties of non-graphitizable carbons for a lithium ion battery

Structural characteristics and electrochemical properties of non-graphitizable carbons were investigated. The carbons were obtained by heat-treating the oxidized graphitizable carbon precursors with various molar ratios of aromatic compounds and cross-linking agent. The discharge profiles of the non-graphitizable carbons heat-treated at 600°C had one plateau discharge region at 1.0 V vs. Li/Li⁺, which is similar to graphitizable ones heat-treated at the temperature. However, the discharge profiles of the non-graphitizable carbons heat-treated above 800°C exhibited two plateau discharge regions at 0.2 and 1.0 V vs. Li/Li⁺. The discharge capacities of the non-graphitizable carbons increased with an increase of cavity volume, which was controlled by molar ratios of aromatic compound and cross-linking agent. The structural parameters proposed were measured to compare with each other, and it was found that they showed good correlation.     

Research progress of cycle phosphazenes applied in lithium ion batteries

本文回顾了环三磷腈及其衍生物的合成,阐述了其在锂离子电池电解液,正负极材料等关键材料方面的应用研究进展,并进行了相应的展望.随着锂离子电池在高容量动力及储能领域中的广泛应用,电池的安全性问题日益凸显,材料安全性是电池安全性的基本保证.磷腈化合物由于其特殊的组成和结构,具有高效阻燃与电化学稳定性,在用于改善锂离子电池安全性方面受到越来越广泛的关注.在锂离子电池电解液添加剂和共溶剂的研究中发现,磷腈化合物不仅可以改善电解液的热稳定性和阻燃性能,还可以提高电池的充放电电压和循环稳定性;同时,也可以作为正负极材料的重要组分,改善电极材料的安全性.在锂离子电池安全性领域中具有较好的研究价值和实用意义.