【新能源】十大颠覆性锂电池材料技术突破盘点：续航久、充电快、安全稳定的电池不远了 （新材料和新能源 总第31期）【新能源】十大颠覆性锂电池材料技术突破盘点：续航久、充电快、安全稳定的电池不远了 （新材料和新能源 总第31期）
2017-10-20 人大人科创 Paul 转自 新材料在线 锂电池应用范围广阔，大到电网储能、小到可穿戴设备都可用其作为动力装备。智能生活概念逐渐普及，新兴电子产品层出不穷，带动3C锂电池市场需求持续增长。另外，近几年飞速发展的新能源汽车产业，核心正是电池技术。在国家多项政策的引领和支持下，新能源汽车已进入加速发展态势，锂电池产业亦迎来黄金发展期。 据赛迪智库电子信息产业研究所发布的《锂离子电池产业发展白皮书（2017版）》显示，2016年全球锂离子电池产业规模达到378亿美元，同比增长16%。按容量计算，全球锂离子电池市场规模首次超过90GWh，同比增长18%。 无人机、可穿戴设备、新能源汽车虽然带领锂电池行业进入了“黄金时代”，但这些产品对于续航和安全性的高要求，也倒逼锂电池技术的升级。科研人员针对锂电池能量密度、充放电速率和安全性方面的瓶颈进行了大量研究实验。新材料在线®从各大机构和高校2017年发布的众多成果中，甄选出以下十大从材料层面改进锂电池性能的重大技术突破。 以下排名以发布时间为倒序，不分先后。
1.沥青造新型锂离子电池满电只需5分钟
图片来自于公开资料
2017年10月9日消息，美国莱斯大学的研究人员从沥青中提取了碳物质，然后将其与石墨纳米带混合，并且在外面涂上一层锂金属。这种电池充电速度可以达到商品化锂离子电池的10-20倍，同时沥青能够阻止电池内形成缩短电池寿命的沉积物。 据称，这种电池从零充到满电只需要5分钟，远远超过其它种类的锂电池，且更安全，可以阻止锂树突的形成。
2.钛铌氧化物负极材料电动车专用锂电池快充只需6分钟
图片来自于公开资料
2017年10月6日消息，日本东芝公司日前宣布开发出新一代电动车专用锂电池，与一般采用石墨作为负极材料的锂电池不同，这种锂电池使用钛铌氧化物作为负极材料，具有能量密度高、可超快速充电等特性，快充仅需6分钟就能充到90％的电量。在充放电5000次后，这种锂电池依然可以维持90％以上的电池容量，且在零下10摄氏度的低温环境下仍能快速充电。 东芝已能做出50Ah容量、巴掌大小的样品，并计划对其进行完善，争取在2019年推出正式产品。
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3.一种更强大，更持久的铟涂覆锂电极新型可充电电池
2017年9月21日消息，美国科学家通过用铟涂覆锂电极制造出更强大，更持久的新型可充电电池。康奈尔大学伦斯勒理工学院（美国特洛伊）的Ravishankar Sundararaman和康奈尔大学的Lynden A.Archer领导的研究小组通过采用化学离子交换技术，在锂电极上涂覆铟涂层。直接将锂电极浸入到特殊的铟盐溶液，铟作为金属沉积在锂电极的表面上，同时电解质中锂离子浓度增加。 在电解质中加入少量的铟盐，则在电池工作时，铟层沉积就具有均匀性和自愈合性。电池在充电/放电循环期间也能保持完整，化学成分保持不变，有效防止副反应发生。树枝状枝晶也被消除，使表面光滑紧凑。在商用电池中，新型铟-锂复合电极在超过250个循环中表现稳定，能够保留其容量的大约90％。
4.《Science》:锂离子电池硅负极重大进展！
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北京时间2017年7月21日，韩国科学技术院的Ali Coskun和Jang Wook Choi(共同通讯)等人在《Science》上发表了题为“Highly elastic binders integrating polyrotaxanes for silicon microparticle anodes in lithium ion batteries”的文章，报道了一种高弹性的粘结剂，通过形成酯键使传统粘结剂PAA与多聚轮烷环组分交联结合得到具有特殊结构的双组分PR-PAA粘结剂，很大程度上提高了硅负极在充放电过程中的稳定性。
5.引入锡、硅无锗固态电池导电率更高、成本更低
新材料的原子排布被命名为LSSPS。新款无锗材料采用的结果为Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4。（图片来自于盖世汽车） 2017年7月18日消息，东京工业大学的研究人员研发了一项新技术方案——无锗固态电解质，研究团队采用化学稳定性更强的锡与硅替代固态电解质内的锗元素。相较于液态电解质，新材料提升了锂离子的导电率，降低了固态锂电池的成本，可应用到电动车、通信及其他行业中。 目前许多机构都在大力研发固态电解质。Li10GeP2S12（LGPS）是结晶硫电解质产品系列的新成员，其导电性为1.2×10−2 S cm−1，可媲美有机液态电解质。全固态电池LiCoO2/LGPS/In−Li采用LGPS电解质，其充放电性能相当出色。然而，锗元素价格相对较贵，或将限制LGPS材料的广泛应用。 在设计锂离子导体时，晶体结构类型也是一项重要因素。若不同材料的结构类型相近，且固体的导电性高，那么新材料的导电性能就会更好。LGPS类结构的锂离子扩散率高。未来，硅基及锡基的无锗材料均可能被用作为固态电解质并得到实际应用。
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6.锂合金/石墨烯“千层饼”开启锂电新时代
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2017年7月14日消息，美国斯坦福大学材料科学与工程系崔屹教授所在的课题组研发出一种锂合金/石墨烯箔片负极，该负极的容量接近锂金属的理论体积容量，且具有优异的安全特性。 据介绍，将紧密堆积的锂合金纳米粒子包裹在大片的石墨烯片层中，可制备出锂合金/石墨烯“千层饼”。由于锂合金本身即是体积最大的状态，且被局限在导电性高、化学稳定性好的石墨烯“饼”中，避免了合金负极的体积膨胀和锂金属负极的枝晶生长问题。该“千层饼”还可与高容量硫正极组装成高效、稳定、寿命长的电池，大大增加电池的能量密度和安全性能。另外，在这种“千层饼”结构中层层叠叠的大片石墨烯紧密包裹住活泼的锂合金，起到了疏水和隔气的作用，使得该富锂负极具有良好的空气稳定性。 据称，该锂合金/石墨烯箔片不仅在传统的锂离子电池中有应用前景，而且有望作为锂金属负极替代者应用于下一代锂/空气、锂/硫电池中。
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7.新型锂电池负极材料无需粘接剂
图片来自于公开资料 2017年6月20日消息，中国科学技术大学宋礼等人通过简便的溶剂热法合成出MoSe2/SWCNTs复合材料，作为锂离子电池负极，无需粘结剂，表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊ACS Nano上。 在锂离子电池负极制备过程中，粘结剂在电极中所占的比例一般为3%-5%之间，且粘结剂通常是绝缘体，会阻碍电解质中离子转移，因此无需粘结剂的电极材料能够显著地提高电极的性能。 作为锂离子电池负极，1T-MoSe2/SWCNTs表现出良好的储锂性能。在电流密度300mA/g下，循环100圈后，容量仍高达971mAh/g，容量几乎无衰减。在大电流密度3000mA/g下，容量为630mAh/g，体现了优越的倍率性能。
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8.-60℃也能用 电解质研究获重大突破登上《Science》
图片来自于中国电池网
2017年6月19日消息，美国科学家从大量气体候选物中选出两种液化气——氟甲烷和二氟甲烷，分别制成锂电池和超级电容的电解质，使得锂电池的最低工作温度从零下20℃延伸到零下60℃，超级电容的工作温度从零下40℃延伸到零下80℃。且回到正常室温后，这些电解质仍能保持高效工作状态。除了创造低温工作纪录，这些气态电解质还克服了锂电池中常见的热失控问题，更具安全优势。此外，最新研究还克服了锂电池充放电寿命太短的挑战。该项研究成果已被《科学》杂志刊登。 新技术不仅提高了电动车在寒冷冬季单次充电的运行里程，还能为高空极冷环境下的无人机、卫星、星际探测器等提供电能。研究人员表示，他们下一步要实现锂电池在更低温度下（零下100℃）工作的目标，为火星探测甚至木星和土星等深空探测装置提供全新供能技术。
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9.碳纳米管电极锂空气电池研发成功蓄电量为锂离子电池的15倍
图片来自于公开资料 2017年4月初消息，日本国立研究开发法人物质与材料研究机构（NIMS）发布研究报告称，已成功将碳纳米管用于锂空气电池的空气电极，实现超高蓄电量。NIMS采用碳纳米管作为空气电极材料，通过优化空气电极细微构造，单位面积蓄电量达到30 mAh/cm2，相当于目前锂离子电池（2 mAh/cm2）的15倍！ 此次试验还未进入量产阶段，NIMS表示今后将在实用层面上开发单元堆积式的高容量锂空气电池组，进一步提高能量密度，也将进一步开展去除空气中的不纯物质等方面的研究。
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10.超高能量密度锂空气电池技术研究获重要进展“固态锂空气电池”由概念变为现实
2017年4月初消息，国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项2016年度立项项目“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”取得重要进展，研究团队围绕锂空气电池双功能电催化剂材料、高容量空气正极材料、高安全性气密性双面保护金属锂负极材料，以及高化学稳定性电解质四大关键材料进行研发，开发出固态锂空气电池从材料匹配到原型器件集成的新技术。 研究成果初步解决了实现固态锂空气电池的核心科学问题，成功示范了固态锂空气电池的可行性，将“固态锂空气电池”由概念变为现实。
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