Research progress on cathode materials for high energy density lithium ion batteries

便携式电子设备的微型化、轻量化与电动汽车、电网储能设备的飞速发展,对高能量密度的锂离子电池的研发和性能表现提出了越来越高的要求。锂离子电池正极材料是锂离子电池的核心,其提供锂离子并参与电化学反应,因此改善正极材料性能是提高锂离子电池能量密度的关键。人们需要进一步研究开发成本较低、安全性更好的高能量密度新型锂离子电池正极材料。本文主要从提升正极材料的比容量和工作电压两方面介绍三元、富锂锰基材料和高电位镍锰酸锂等高比能量正极材料的介尺度结构设计、制备与性能调控研发进展。     

Studies on the standard of lithium ion battery electrolyte

电解液是锂离子电池关键技术之一,在正负极之间起着输送和传导电流的作用,是连接正负极材料的桥梁。它影响着电池的工作电压、能量密度和安全性能等。近年来随着正负极材料的技术进步,电解液为了实现与新材料的匹配,在组分上出现了很大变化,现有的锂电池电解液标准及相应的测试方法也需要进一步更新,才能实现产品的检验规范化和质量标准化。本文介绍了电解液的现状及发展趋势,分析了我国现有电解液相关标准的情况,并对新的电解液国标提出了建议。     

Research progress in blending modification cathode materials for lithium ion batteries

本文简述了国内外锂离子电池正极材料共混改性的研究进展。正极材料是锂离子电池重要组成部分，是决定锂离子电池能量密度和成本的关键因素。共混改性具有制备工艺简单、材料性能一致性容易控制、综合成本较低等优点，在钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料电池制造中得到应用。国内外通过对正极材料共混改性机理研究，发现共混改性是材料改善电化学性能、降低成本、提升安全性能的有效途径，并有望发展成为依据材料特性指导锂离子电池高性能电极设计的重要方法。同时在正极材料共混改性方面亟需加强共混材料物性匹配、充放电机制选取、共混工艺研究，该方法也为高镍、富锂锰基等新一代正极材料工业化应用提供了工艺参考。     

Recent developments in cathode materials for lithium ion batteries

One of the challenges for improving the performance of lithium ion batteries to meet increasingly demanding requirements for energy storage is the development of suitable cathode materials. Cathode materials must be able to accept and release lithium ions repeatedly (for recharging) and quickly (for high current). Transition metal oxides based on the α-NaFeO₂, spinel and olivine structures have shown promise, but improvements are needed to reduce cost and extend effective lifetime. In this paper, recent developments in cathode materials for lithium ion batteries are reviewed. This includes comparison of the performance characteristics of the promising cathode materials and approaches for improving their performances.     

全固态锂离子电池关键材料研究进展

全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本上解决电池安全性问题,是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。为了实现大容量化和长寿命,从而推进全固态锂离子电池的实用化,电池关键材料的开发和性能的优化刻不容缓,主要包括制备高室温电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态锂离子电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面相容性。本文以全固态锂离子电池关键材料为出发点,综述了不同类型的固态电解质和正负极材料性能特征以及电极/电解质界面性能的调控和优化方法等,阐述了未来全固态锂离子电池关键材料的发展方向以及界面问题的解决思路,为探索全固态锂离子电池产业化前景奠定基础。     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (VII)--Positive electrode materials

提高锂离子电池正极材料的综合性能以满足其对能量存储日益提高的要求,一直是锂离子电池领域最重要的研究方向.目前的正极材料主要基于层状结构,尖晶石结构以及橄榄石结构,采用这些材料的锂离子电池可以基本满足消费电子,电动车辆,规模储能等要求.本文小结了目前广泛使用的锂离子电池正极材料的性能特点,讨论了当前正极材料的研究和发展状况.     

Research progress of cathode materials for lithium-sulfur batteries

锂硫电池作为一种非常有前途的高能化学电源,随着电动汽车和便携式电子设备的发展,因其高理论比容量（1675 mA·h/g）和高理论能量密度（2600 W·h/kg）引起了人们的广泛关注。然而,锂硫电池发展过程中的一些挑战不可避免,包括硫较低的离子和电子导电性,较差的循环性以及生成的多硫化物易溶于有机溶剂等缺点,制约了锂硫电池的发展。本文结合近年来锂硫电池正极材料的研究进展,简要阐述了锂硫电池正极材料的研究现状、问题及面临的挑战。锂硫电池由于其发展中面临技术瓶颈难以突破,导致现在还无法大规模的应用,因而对其性能的改进也就成了当今的研究热点。硫电极材料电导率低、循环性能差,可以通过碳包覆或者掺杂改善材料性能。然而由于成本和技术问题,大部分锂硫电池正极材料目前还主要处于研究试验阶段。因此,在提高材料性能的前提下,通过碳包覆或者掺杂改善工艺,探索一条适合工业化生产的道路是下一阶段研究的重点。     

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。     

金属有机框架及其衍生金属氧化物在锂和钠离子电池中的应用

高性能锂和钠离子电池是未来便携电子设备、电动汽车和大规模储能电站的重要组成部分,受到了各行业的广泛关注。目前商用的锂离子电池和研发中的钠离子电池都面临着一些技术瓶颈,主要表现为能量密度低、充放电慢等,导致无法满足市场的需求。具有独特结构、高比表面积的金属有机框架及其衍生金属氧化物可作为电化学储能器件新型电极材料,满足高性能锂和钠离子电池的要求。本文综述了近年来金属有机框架及其衍生金属氧化物作为锂和钠离子电池电极材料的研究进展,同时指出了金属有机框架及其衍生金属氧化物在实际应用中的不足及未来可能的一些改进措施。     

Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries(X)—All-solid-state lithium-ion batteries

商用锂离子电池由于采用含有易燃有机溶剂的液体电解质,存在着安全隐患。发展全固态锂离子电池是提升电池安全性的可行技术途径之一。目前全固态锂离子电池的应用还需要解决一些科学与技术问题,包括：开发能在宽温度范围使用,兼顾高电导率与电化学稳定性的固体电解质材料;减小电解质相与电极相界面间离子输运电阻的技术;适合全固态电池使用的正负极材料;相关材料与电池的设计与规模化制造技术。本文从固体电解质材料的研究开发进展,高通量计算用于固体电解质材料的筛选以及电极材料与固体电解质界面问题等方面进行了小结。     

锂电池硫/硒正极材料的研究进展

锂硫电池的能量密度高,原料价格低廉,具有成本优势,是一种最具潜力的二次电池之一。然而受限于硫正极的低导电性以及多硫化物溶解导致的循环寿命衰减等因素,锂硫电池仍不能得到很好的商业化应用。作为硫的同主族元素,硒具有良好的电导率和可观的体积容量。结合了硫和硒的优点,硫硒固溶体（Se_xS_y）引起了人们的极大关注。Se_xS_y的导电性好、比容量高,但仍然存在穿梭效应、电解液匹配性和循环过程中体积变化大等问题。本文分析了近期锂电池Se_xS_y基正极材料的研究现状,主要总结了碳材料、金属化合物、金属-有机框架和杂原子掺杂材料四个方面的相关研究进展,介绍了本课题组在Se_xS_y基正极材料方面的部分研究成果,并对锂-硫/硒电池的未来发展前景进行了展望。     

Progress of electrolyte additives for high-capacity power lithium ion batteries

动力电池是新能源汽车的核心部件,而电解液是制约动力电池发展的关键。电解液一般由碳酸酯类溶剂、锂盐和添加剂组成,其性质对电池的高低温、倍率、寿命等性能有显著影响。高比能动力电池所需电解液的主要开发策略是利用功能添加剂在电池正、负极同时形成稳定的保护膜,同时稳定界面。文章回顾了近年来匹配高压正极材料和高容量硅碳负极材料所需添加剂的组成和基本功能,论述了添加剂作用机理和发展趋势,认为300 W·h/Kg高能量密度电池电解液的关键在于开发新型多功能添加剂。     

Recent developments and likely advances in lithium rechargeable batteries

Developments in lithium rechargeable batteries since the last International Power Sources Symposium in Manchester in 2001 are described. The major developments are that, as expected, lithium cobalt oxide cathode material is being replaced by lithium cobalt/nickel oxide and polymer electrolyte batteries are now coming into production. Likely future developments are new cathode and electrolyte materials to reduce cost and to improve safety.Some research has been reported on sodium-ion batteries.     

Materials prepared for lithium ion batteries by mechanochemical methods

Since the birth of the lithium ion battery in the early 1990s a lot of methods has been tried to prepare materials with better performance and/or lower cost. In comparison with other methods, mechanochemical methods are advantageous because they are based on simple processes, show high efficiency, low energy consumption and cost They are widely applied to prepare materials for lithium ion batteries such as cathode materials, anodic ones and solid electrolytes. The latest progress on these aspects is reviewed in this paper including the effects of mechanochemical methods and mechanisms in improving electrochemical performance. In addition, some problems concerning some materials and further directions are pointed out.     

Development of 1 kW h class lithium ion battery for power storage

With the aim of developing 1 kW h class lithium ion batteries with long life and high efficiencies, we trial manufactured batteries that were fabricated using LiCoO₂ and natural graphite as cathode and anode materials, respectively, with 1 M LiPF₆ diluted by EC/DEC as an electrolyte. Fundamental studies necessary for the development of a large-scale battery consisting of laminated large electrodes were conducted, examining various factors. These factors were selected from the observations of batteries dismantled after the battery life reached an end point. The construction of the batteries was based on the results of fundamental research done to elucidate the problems encountered in the present study. We achieved 543 cycles with high efficiencies with the fourth battery. It is noteworthy that technical factors such as homogeneous impregnation of the electrolyte into the electrode laminates and maintenance of uniform conditions of laminates by the control of expansion and contraction accompanied with charge and discharge, respectively, were very important for the long life of large-scale lithium ion batteries.     

Recent progress of electrode materials for room-temperature sodium-ion stationary batteries

随着风能、太阳能等可再生能源的不断发展,储能作为影响其发展的关键技术越来越受到人们的关注。在储能领域,锂离子电池以高能量密度、长循环寿命、高电压等诸多优点在电子领域已得到广泛的应用,并成为未来电动汽车动力电池的最佳选择。但因锂资源储量有限、分布不均匀,而且原材料成本比较高,所以锂离子电池在电网大规模储能方面的应用遇到了瓶颈。与锂相比,钠不但具有与锂相似的物理化学性质,更具有资源丰富、分布广泛、原料成本低廉等优势。近些年室温钠离子电池再次引起了人们的研究兴趣,特别是在电网储能方面表现出极大的应用潜力。虽然目前已报道了多种钠离子电池电极材料,但大都离实用化以及进一步产业化尚有一定的距离。本文重点介绍一些性能较为突出的室温钠离子电池电极材料,并指出要实现钠离子电池的产业化,需要开发空气中稳定、高安全、高容量、高倍率、循环稳定、低成本的新型正、负极材料。     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (VI)--Ionic transport in solids

充放电过程中,锂离子需要在电极活性材料,电极与液态电解质接触界面产生固体的电解质层,全固态电池中的固体电解质以及导电添加剂,黏结剂,活性颗粒形成的固固界面传输.一般而言,固相内部及固相之间的离子传输是电池动力学过程中相对较慢的步骤,因此离子在固体中的传输是锂电池材料研究的重要基础科学问题.本文小结了固体离子学基础知识中关于离子在固体中的传输机制,驱动力,影响离子电导率的几种因素等方面的内容,简介了锂离子在正极,负极,固态电解质中的输运特性,讨论了内源锂和外源锂输运特性的差异以及尺寸效应对于离子输运性质的影响.     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries （April 1，2016 to May 31，2016）

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2016年4月1日至2016年5月31日上线的锂电池研究论文,共有1679篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料和金属锂负极研究侧重于SEI界面层、复合材料、黏结剂及反应机理研究,电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池、锂空气电池的论文也有多篇。理论模拟工作侧重于正极材料结构、SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池界面、电极结构和性能分析的研究论文。     

储能锂离子电池关键材料研究进展

在现有商品化二次电池中,锂离子电池的比能量最高、循环性能最好,而且因其电极材料选择的多样性,作为储能电池具有广阔的应用前景。锂离子电池发展面临一些问题：比能量、比功率和循环寿命有待提升,安全性还没有可靠保证,制造成本过高,等等。针对这些问题,人们从电池材料选择、电池结构设计、电池制备装配与工艺、电池管理系统等方面探索解决方案。本文结合作者所在研究团队开展的工作,介绍锂离子电池关键材料（正极、负极和电解质）的研究进展。     

Recent developments and future prospects for lithium rechargeable batteries

Possible future developments of lithium rechargeable batteries are discussed. Lithium ion liquid electrolyte batteries are now well established, with energy densities of up to around 150 Wh kg⁻¹. There are prospects of increases in the energy density to perhaps 200–250 Wh kg⁻¹ by using new cathode materials (lithium nickel cobalt oxide) and light weight construction. High power cells make it possible for these batteries to find new uses, e.g. in military applications. Some new materials could reduce the cost, which might make lithium rechargeable batteries economic for electric vehicles.