鉅大LARGE | 點擊量：426次 | 2023年09月04日
為何高比能的富鋰錳基動力鋰電池還不來？
富鋰錳基：
鋰離子電池突破的關鍵
為何說現有正極材料不能滿足下一代電池能量要？
夏定國表示，動力鋰電池能量密度假如達到300Wh/kg，正極容量則要達到200mAhg−1；能量密度假如要達到400Wh/kg，正極容量就要超過250mAhg−1，考慮到密度因素影響，可能要達到270mAhg−1以上。
根據網絡資料整理
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2018年九月，科技部對天津力神電池負責的高比能量動力鋰離子電池開發與產業化技術攻關項目進行中期檢查時公布過相關成果。力神已經可以制備303Wh/kg的軟包電池，其高鎳正極材料容量為213mAhg;
1、有沒有一種正極材料可以達到250mAhg−1的容量要求呢？
夏定國介紹，在2002年美國阿貢實驗室發現了O3結構的富鋰錳基，4.5V電壓下，其容量超過250mAhg−1以。這引起國內外廣泛的重視。
夏定國認為，要構筑比能量達到400Wh/kg的鋰離子電池，高比容量富鋰氧化物正極材料和硅負極是可行的技術路線。
2、讓富鋰錳基走出禁區
盡管富鋰材料有很高的容量，但也有很多的缺點。夏定國介紹，富鋰錳基充放電效率低，倍率性能也不好，循環穩定性差，充放電過程中還會出現持續的電壓衰退。而且4.8V高壓電解液也是很大的挑戰。這在某種程度上降低了其高比容量帶來的優越性。
有什么后天手段可以彌補富鋰錳基的缺陷么？夏定國介紹，國內外對富鋰錳基進行了大量研究，取得了長足進步，重要可以歸為表面修飾和電子結構調整兩類。
在它的表面包覆一層二氧化錳，可以有效抑制氧的擴散。不僅能夠改善它容量的穩定性，也能夠很好的提升它的倍率性能。夏定國如是說。
夏定國介紹，將富鋰錳基浸泡在鹽酸鹽溶液中進行處理。得到的二次顆粒相較一次顆粒，表面出現局部偏析，這可以很好抑制氧聚合。比容量可達到300mAhg−1，同時還能解決富鋰錳基電壓穩定性、循環穩定性和倍率性能的問題。
除此之外，考慮到電池制備問題，可以用缺陷石墨烯做電池導電劑。夏定國表示，缺陷石墨烯可以覆蓋材料的表面，不僅能夠供應電子通道、離子通道，更重要的大幅度降低了氧析出。
電子結構調整也能對富鋰錳基的電化學性能起到促進用途。
夏定國介紹，可以把不具備充放電性能的材料放置進入富鋰錳基電子結構中，比如加入少量的鐵就可以把材料中的氧活性激發出來。這樣可以新增250mAhg−1的容量。
Fe3+摻雜進入立方型Li2TiO3中，供應了穩定的陰離子氧化還原反應。Fe3+作為催化劑引入到材料中促進了穩定的氧化還原反應。將Co3+摻雜入Li2TiS3展示出了相似的結果。
同時夏定國表示，鈷酸鋰、三元、鎳酸鋰、高鎳材料，包括以前研究的富鋰材料，都是O3結構。在充放電過程中間，伴隨著鋰的脫出，各種金屬從八面體到四面體、再到八面體。這個過程中氧析出，是一個能量降低過程。要想本質上改變這一問題，就要改變O3結構。
O2結構材料，在鋰的脫嵌過程中，金屬離子不能夠發生遷移，各種金屬的遷移與氧的析出是一個耦合的過程。金屬不能夠遷移，意味著氧的析出變得非常困難，所以即便是深度脫鋰，也不會發生氧的析出。不過O2的結構是亞穩態的結構，合成比較困難。夏定國如是說。
不過這一難題已經取得突破，在國家重點研發計劃的支持下，夏定國研究團隊已經構筑了一種O2型具有單層Li2MnO3超結構的富鋰材料，可以供應400mAhg−1可逆容量，能量密度高達1360wh/kg，是目前鋰離子電池錳基富鋰正極材料最高可逆容量。
3、鋰離子電池繼往開來
夏定國也對鋰離子電池正極材料未來發展進行了展望。他認為：
一是提高材料表面氧的熱力學穩定性，能有效抑制富鋰錳基材料電壓衰退、提高材料循環穩定性；
二是調制充電電壓及抑制電壓滯后，明晰用途機理，才能加快富鋰錳基材料正極材料的商業化應用；
三是O2結構富鋰材料具有良好的電化學穩定性，實現材料結構復合能促進材料實際應用；
四是錳酸鋰（根據現場速記）、聚陰離子化合物、富鋰化合物各有自身優劣；合成無鈷低鎳正極材料是今后重要的發展方向。
