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关于世界顶尖锂电池研究团队及研究方向的介绍

2018年05月15日 14:00 次阅读

电池技术在社会的可持续的清洁能源发展中起着重要的作用。相比于传统的镍氢电池,铅酸电池来说,锂离子电池具有能量密度高,无记忆效应,环境污染小等特点被广泛应用在能量存储与转化的领域中。如今锂离子电池已经作为动力电池在电动汽车如特斯拉,比亚迪中使用,具有极大的市场份额,预计2020年全球锂离子电池市场规模有望达到4500亿元。

锂离子电池最早由日本索尼公司于1990年开发成功。传统锂离子电池的正极材料为钴酸锂(LiCoO2),负极材料为石墨(C),以酯类作为电解液的可充电式电池。该电池的电极反应式如下:

关于世界顶尖锂电池研究团队及研究方向的介绍

然而,钴酸锂材料的实际比容量只有150 mAh/g左右,较低的容量限制了单体锂离子电池的能量密度的提升,只有150 Wh/kg 左右。使用较低能量密度的锂离子电池作为汽车的动力电池时使得电动汽车无法具有预期的行驶里程数。比如特斯拉的最新电动汽车Model X,其电池组就是由7000多节18650锂离子电池组成,重量达一吨左右。沉重的电池组增大了汽车的自重,降低了汽车的行驶里程数,一次全充电后的行驶里程在400公里左右。因此,开发高能量密度的锂离子电池显得尤为重要。

目前,高能量密度锂离子电池的研究已经从起步阶段转向实质性发展。研究的领域主要集中在电池的正极材料,负极材料上。在正极方面主要研究富锂正极材料,高镍正极材料和硫正极材料。在负极方面研究主要集中在锡负极,硅负极和锂金属负极上。目前也有不少团队致力于固态电解质的研究,主要是为了解决液态的电解液易燃问题所带来的安全隐患。此外在锂金属负极的研究中,引入并使用固态电解质可以抑制锂枝晶的生长。本文结合部分世界顶尖锂电池研究团队做简单介绍,并对该行业的热点研究方向进行阐述。

John B. Goodenough

Goodenough教授于1952年在芝加哥大学取得博士学位。目前为美国德州大学奥斯汀分校机械工程系教授。Goodenough教授是著名的固体物理学家,美国国家科学院院士,工程院院士,英国皇家化学学会外籍院士。他也是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等锂离子电池正极材料的发明人,也是锂离子电池科学基础的奠基人之一,被业界称为“锂电之父”。Goodenough教授已发表期刊论文700逾篇,发表论文累计引用46500余次。

近年来,Goodenough教授继续在所深爱的锂离子电池,钠离子电池领域展开深入的研究。同时也将自己的研究领域拓展到锂离子电池的固态电解质研究中。近日Goodenough教授又在Journal of American Chemistry Society 上发表了固态电解质的研究论文(10.1021/jacs.8b03106)。Goodenough教授认为石榴石型的固态电解质在室温下具有很高的电导率,是适合锂金属电池使用的固态电解质的理想材料。该项研究利用了一种新策略改善石榴石LLTO(Li7La3Zr2O12)的界面,从而显著降低了锂金属与石榴石界面的阻抗,抑制了枝晶的形成。因此降低了组装的Li/Garnet/LiFePO4 和Li-S全固态电池的过电势,提高了库伦效率以及循环稳定性,具有广泛的应用前景。通过使用固态电解质,锂金属电池和锂硫电池的枝晶问题将得到解决,使用高比容量的锂金属作为负极将会在未来有长足的发展和应用。

关于世界顶尖锂电池研究团队及研究方向的介绍

图一,石榴石型LLZT和LLZT-C全固态电解质锂金属电池的示意图。(10.1021/jacs.8b03106)

Peter G. Bruce

Bruce教授是英国牛津大材料系教授,皇家科学院院士,工程院院士,英国皇家化学学会外籍院士,已发表期刊论文400逾篇,发表论文累计引用55100余次,H因子为97。

Bruce教授团队的研究方向主要集中在锂空气电池,锂离子电池,钠离子电池等方向。在锂离子电池正极材料方面,Bruce教授的研究领域主要涉及LINixMn1-xO2, xLi2MnO3?(1-x)LiMO2 以及Li2FeSiO4 等高容量的正极材料的研发以及其反应机理的研究。

近日,Bruce教授在钠离子电池的正极材料研究中又取得巨大的突破并发表在Nature子刊上。(Nature Chem., 2018, 10, 288–295) 文章报道了一种P2型的Na2/3[Mg0.28Mn0.72]O2 层状钠离子电池正极材料,具有近170 mAh/g 的高比容量和近2.75V的放电电压。而这高的容量来自于该材料的稳定结构以及氧元素的氧化还原。在钠离子脱出时,低含量的钠促进了O2结构的氧化层的形成。此外氧在充放电过程中存在氧化还原反应又额外贡献了容量。同时Mg2+的引入又抑制了氧的损失。这项工作对锂电和钠电正极材料中氧的氧化还原所提供额外容量的现象又提供了进一步的认识,此外也提供了从结构和组分上来设计材料,通过抑制氧的流失来实现高容量的正极材料的新路径。

关于世界顶尖锂电池研究团队及研究方向的介绍

图二,P2型 Na2/3[Mg0.28Mn0.72]O2材料的结构示意图。(Nature Chem., 2018, 10, 288–295)

Clare P. Grey

Clare P. Grey 于1991年在牛津大学获得博士学位。目前是剑桥大学化学系教授,英国皇家学会院士,纽约州立大学石溪分校兼职教授。Clare P. Grey 已在国际一流刊物上发表期刊论文300逾篇,发表论文累计引用23600余次,H因子为78。目前Grey教授是 Journal of American Chemical Society, Joule, Accounts of Chemical Research 等国际著名期刊的编委。

Grey教授团队的主要研究工作集中在以下几个方向:锂离子电池技术,钠离子电池技术,新型锂空气电池,镁离子电池和固态电解质等前瞻科研领域。近年来,Grey教授在锂离子电池正极材料方面结合自身以及先进的表征技术的优势,在材料的表征及模拟方面开展了诸多研究。

图三展示了Grey教授在研究尖晶石结构的锂过渡金属氧化物的最新成果(Chem. Mater. 2018, 30, 817?829)。文章在研究LiTIxMn2-xO4 (0.2≤x≤1.5) 材料时,利用NMR等表征技术,结合DFT理论计算,研究了不同TI掺杂对LTMO结构的影响。通过研究发现TI掺杂的存在使得材料的结构随着TI含量的变化而发生变化。在X=0.2时,LTMO中的Ti4+和Mn3+/4+ 呈随机分布;在X=0.4时则具有富含Ti4+ 和Mn4+的不均匀晶格;在x=0.6和0.8时会形成单相固溶体;而在x=1时则呈现Li-Mn2+ 四面体和Li-Mn3+/4+ -Ti八面体构型的组合。这项工作也为研究其他电池电极材料的结构变化提供了参考依据。

关于世界顶尖锂电池研究团队及研究方向的介绍

图三, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 的Al, Li, Ni, Co, O离子的离子空间分布图谱 (Chem. Mater. 2018, 30, 817?829)。

崔屹

崔屹教授于2002年于哈佛大学获得博士学位,目前是斯坦福大学材料科学与工程系教授。崔屹教授已在国际一流杂志上发表论文700逾篇,并在国际顶刊Nature和Science及其子刊上发表文章共计88篇,已发表论文累计引用116300余次,H 因子160。目前是国际知名期刊 Nano letter的副主编及ACS applied energy material等杂志的编委。

崔屹教授团队的科研主要集中在锂离子电池硅负极上,在硅负极领域取得了诸多杰出的成果。同时,近年来也在锂金属负极方面以及锂硫电池上取得了诸多优异成果。尤其是近三年来在锂金属负极的研究方面取得了突破性进展,并在Science, Nature Nanotechnology, Nature Energy等国际顶级杂志上相继发表诸多文章。

图四展示了崔屹教授最新研究的大尺寸硅锂合金-石墨烯柔性电极(Nature Nanotech., 2017, 12, 993–999 )该电极由活性的锂硅合金纳米颗粒组成,并由大尺寸石墨烯层均匀地包覆起来,具有良好的空气稳定性。这种结构有效地抑制了硅合金化所带来的体积膨胀效应并抑制了锂枝晶的生长,使得电极表现出极好的循环稳定性以及高达500 Wh kg-1 的能量密度。研发的硅锂合金负极有望与硫正极配对组成高能量密度的硫-硅锂合金电池并广泛应用。

关于世界顶尖锂电池研究团队及研究方向的介绍

图四, 硅锂合金-石墨烯柔性电极的电化学性能。(Nature Nanotech., 2017, 12, 993–999)

Linda F. Nazar

Linda Nazar 教授于1984年在多伦多大学取得博士学位。目前是加拿大滑铁卢大学化学系教授,加拿大国家首席科学家,加拿大皇家科学院院士。Nazar教授已在国际知名杂志上发表论文300逾篇,已发表论文累计引用34600余次,H 因子为89。目前是国际知名期刊Energy & Environment Science, ACS Central Science等杂志的编委。

Nazar教授的研究方向专长于锂硫电池和锂空气电池领域,她被尊称为“锂硫电池的女王”。近年来该团队的研究方向同时拓展到锂负极保护和无机固态电解质方面并取得突破性进展。图五展示了最近Nazar教授在锂金属负极保护方面的新策略。(Joule, 2017, 1, 871-886)该工作利用电解液中添加的P2S5在锂金属原位生成微米级的、具有高离子电导率的、稳定性好的固体电解液界面(SEI)。该方法形成的SEI紧密贴合在锂金属表面,在锂金属往复地沉积拔出过程中仍保持稳定,从而实现长循环寿命的锂金属负极。此外,生成的SEI与电极紧密接触并抑制了锂金属与电解液的进一步反应,同时抑制了枝晶的形成。在与Li4Ti5O12正极材料配对时,全电池在5C的大电流下实现了超过四百圈的循环稳定性。

关于世界顶尖锂电池研究团队及研究方向的介绍

图五, SEI 形成过程图,离子/电子转移过程图以及离子浓度,电场强度,电势变化曲线图。(Joule, 2017, 1, 871-886)

小结

结合目前的国际研究动态来看,传统的锂离子电池材料的研究已基本完善并实现产业化。热点研究的硅负极,锡负极以及其他正极材料也从起步阶段转向应用化的阶段,目前的研究论文也更多的关注在材料的载量,循环寿命以及实用性上。目前国际上锂离子电池的研究重点主要集中在锂金属负极和全固态电解质的研发上。通过开发合适的锂金属保护手段来应用锂金属负极以及通过使用全固态电解质来解决电池的其他问题(如电池的安全问题,锂硫电池中多硫化物的溶解问题等等)将是未来的研究和发展方向。而商业的锂离子电池也从传统的钴酸锂正极和石墨负极向三元正极和硅碳负极转变,预计能量密度可达到300 Wh/kg。后期随着硅负极的发展,高镍正极和硅负极的电池将会逐渐出现应用并可实现能量密度400 Wh/kg。预计2030年时,随着锂金属保护和固态电解质技术的迅猛发展,长循环寿命的锂硫电池将会投入锂电市场并达到 500 Wh/kg的能量密度。高能量密度的锂离子电池的发展将会显著改变目前能量存储的体系并极大地提高了电化学储能设备的存储能力。

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从学术到产业 看锂电三元材料的发展历程

如何才能具备湿法隔膜整条生产线生产能力

目前锂离子电池隔膜的主要生产工艺有干法以及湿法两种,而湿法隔膜因为其在热收缩等方面的优势成为目前隔膜...

发表于 2018-04-08 17:22 678次阅读
如何才能具备湿法隔膜整条生产线生产能力

锂离子电池关键非主材之一的导电剂的基础知识以及应...

从上述表中可以看出,导电剂的比表面积是在逐渐增大的,同时颗粒也是越来越小,吸油值是越来越大的,就目前...

发表于 2018-04-08 16:06 524次阅读
锂离子电池关键非主材之一的导电剂的基础知识以及应...

后锂电材料和体系,论述每种后锂电技术的工作原理

硅负极:天然石墨和人造石墨长期用作主要的锂电负极活性材料,也被广泛作为评估其他新兴负极材料的参考依据...

发表于 2018-04-08 15:59 705次阅读
后锂电材料和体系,论述每种后锂电技术的工作原理

为何这些企业还争着跳石墨烯这个“坑”

当前来看,石墨烯电池仍是“伪命题”。简单来说,只有石墨烯直接作为正/负极材料应用的主体材料才能称之为...

发表于 2018-04-08 14:49 699次阅读
为何这些企业还争着跳石墨烯这个“坑”

未来海沧将构建集芯片制造、封装、测试、基板一体的...

大力发展集成电路产业的同时,海沧还在因地制宜重点发展生物医药、新材料等战略新兴产业,打造高端前沿的国...

发表于 2018-04-08 14:27 170次阅读
未来海沧将构建集芯片制造、封装、测试、基板一体的...

半年投入6.7亿 宁德时代是中国锂电的一个奇迹

宁德时代成为国内龙头电池企业,除了令人乍舌的研发费用,还得益于以下五点:1、强大的研发团队;2、重点...

发表于 2018-04-08 14:10 794次阅读
半年投入6.7亿 宁德时代是中国锂电的一个奇迹

导电炭黑在五大导电剂材料中占主流

GGII分析认为,目前碳纳米管和石墨烯均可做成导电浆料,价格比普通炭黑SP贵很多。炭黑是非常成熟的导...

发表于 2018-04-08 11:33 705次阅读
导电炭黑在五大导电剂材料中占主流

马恒达与LG化学签订协议在先进的锂离子电池技术方...

LG化学将提供一款基于镍钴锰(NMC)化学产品且具有高能量密度的锂离子电池,专门应用于印度市场。这类...

发表于 2018-04-04 17:48 707次阅读
马恒达与LG化学签订协议在先进的锂离子电池技术方...

全产业链扩张面临成本压力 杉杉股份如何保住江湖地...

杉杉股份透露,公司将继续利用自身技术优势、专利优势,重点拓展XEV市场及海外市场,保持数码领域优质客...

发表于 2018-04-04 16:41 771次阅读
全产业链扩张面临成本压力 杉杉股份如何保住江湖地...

为您揭开6μm锂电铜箔的神秘面纱

铜箔是生产动力锂电池不可或缺的关键材料之一,其品质的优劣直接影响到电池工艺和性能。一根头发的厚度一般...

发表于 2018-04-04 14:41 1324次阅读
为您揭开6μm锂电铜箔的神秘面纱

延长可穿戴设备续航能力的一些方式

可穿戴设备逐渐成为一个热词,从智能手环到健身腕带,再到VR眼镜,这些产品将数字智能时代最尖端的科技呈...

发表于 2018-04-04 14:01 434次阅读
延长可穿戴设备续航能力的一些方式

光子表面波辅助促进增强石墨烯光的吸收

本研究发现基于非周期结构的广义表面波也可以实现石墨烯完美吸收。平面纯介质表面波系统为低成本和高性能的...

发表于 2018-04-03 15:02 679次阅读
光子表面波辅助促进增强石墨烯光的吸收

石墨烯具有许多令人惊喜的性质,可以被应用在许多方...

石墨烯是一种以碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜,是一种厚度只有一个碳原子大的二维材料。自石墨烯...

发表于 2018-04-03 11:50 684次阅读
石墨烯具有许多令人惊喜的性质,可以被应用在许多方...

全石墨烯光通信链路为数据通信提供强大功能

石墨烯的光子器件是下一代移动网络的潜在构建模块,可带来极高带宽的超高速数据流,许多分析师认为这对数据...

发表于 2018-04-02 14:30 827次阅读
全石墨烯光通信链路为数据通信提供强大功能

市场向好 五龙电动车四条生产线的运作接近满产

五龙电动车表示,成立合营公司将提升五龙动力作为正极材料制造商的地位,并将为五龙集团用于生产电动车的电...

发表于 2018-03-30 16:58 2040次阅读
市场向好 五龙电动车四条生产线的运作接近满产

一种新的碳同素异形体——protomene比氮化...

protomene的热膨胀很可能会发生在板间的结合上。当温度升高时,从低温半导体的48原子单元结构,...

发表于 2018-03-30 15:13 413次阅读
一种新的碳同素异形体——protomene比氮化...

硅碳负极材料发展现状分析并对其研究前景进行了展望

在掺杂型硅碳负极材料中,硅和碳紧密地结合形成了一个稳定均匀的系统.在充放电过程中,硅原子作为电化学反...

发表于 2018-03-30 11:47 1602次阅读
硅碳负极材料发展现状分析并对其研究前景进行了展望

欣旺达和德赛哪个电池好

深圳市欣旺达电子有限公司(简称:欣旺达)于1997年成立,开始从事镍氢电池、锂离子电池模组等二次电池...

发表于 2018-03-30 11:29 2109次阅读
欣旺达和德赛哪个电池好

石墨烯在海水淡化领域的惊人发现

氧化石墨烯是石墨烯的“孪生弟弟”。自2004年英国物理学家在实验室内用看似不可思议的“撕胶带”的方...

发表于 2018-03-30 11:11 587次阅读
石墨烯在海水淡化领域的惊人发现

电动车电池价格有望下降 预计7年后将低于内燃机车...

记者新能源财经近日公布的一份报告显示,最早在2024年,一些车型的成本或将与传统内燃机车型持平,而在...

发表于 2018-03-29 18:46 156次阅读
电动车电池价格有望下降 预计7年后将低于内燃机车...

2018年中国各省市石墨烯基地汇总

石墨烯产业基地 2018年各省市石墨烯基地汇总 在国家政策确立石墨烯新材料之王地位、集中力量促进石墨...

发表于 2018-03-26 16:23 751次阅读
2018年中国各省市石墨烯基地汇总

浅谈新型石墨烯生物传感器种新作用

内在膜蛋白(IMP)不仅很难从细胞膜中提取出来,且具有典型的不稳定性,该特性使得对IMP的研究极富挑...

发表于 2018-03-26 10:59 186次阅读
浅谈新型石墨烯生物传感器种新作用

TP4056使用注意事项

本文主要介绍了TP4056使用注意事项。TP4056是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压...

发表于 2018-03-26 10:27 388次阅读
TP4056使用注意事项

分析锂离子电池容量衰减的可能原因

锂离子电池是继镉镍、氢镍电池之后发展最快的二次电池。它的高能特性让它的未来看起来一片光明。但是,锂离...

发表于 2018-03-26 09:23 750次阅读
分析锂离子电池容量衰减的可能原因

中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告

石墨烯产业基地 2018年各省市石墨烯基地汇总 在国家政策确立石墨烯新材料之王地位、集中力量促进石墨...

发表于 2018-03-26 09:23 917次阅读
中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告

石墨烯助力超级电容器发展

电容器与超级电容器的区别,主要有以下几个方面,首先,电容器种类不同导致的储电量不同。最小的电容器仅能...

发表于 2018-03-23 14:32 1403次阅读
石墨烯助力超级电容器发展

基于电动汽车工况,识别预测的锂离子电池SOE

中国科学院电力电子与电力传动重点实验室、中国科学院大学的研究人员刘伟龙、王丽芳、王立业,在2018年...

发表于 2018-03-23 11:30 846次阅读
基于电动汽车工况,识别预测的锂离子电池SOE

浅谈锂离子电池电解液的发展趋势

我们都知道锂离子电池的主要组成部分包括四个方面:正极材料、负极材料、电解液、隔膜。电解液作为锂离子电...

发表于 2018-03-23 11:02 1229次阅读
浅谈锂离子电池电解液的发展趋势

基于石墨烯的电子产品

石墨烯有助于解决世界水危机,由石墨烯制成的膜可以让水通过,但把盐过滤掉。换句话说,石墨烯可以彻底改变...

发表于 2018-03-22 16:31 967次阅读
基于石墨烯的电子产品

新型石墨烯生物传感器FLEX可加快蛋白质测定

据麦姆斯咨询报道,新型疏水固载生物传感器FLEX可与该公司Agile R100非标记型个人测定系统组...

发表于 2018-03-20 16:22 1294次阅读
新型石墨烯生物传感器FLEX可加快蛋白质测定

锂电隔膜对工艺和材料有哪些要求

微孔制备技术是锂离子电池隔膜制备工艺的核心,其分为干法单向拉伸、干法双向拉伸和湿法工艺。

发表于 2018-03-20 13:50 572次阅读
锂电隔膜对工艺和材料有哪些要求

石墨烯新用途:无毒染发剂

石墨烯片不仅是无毒的,而且因为它们比常规染发剂中使用的着色剂分子大得多,所以它们不可能穿过皮肤。此外...

发表于 2018-03-20 09:40 666次阅读
石墨烯新用途:无毒染发剂

全光二极管和石墨烯又有新研发进展

科学家研发人体芯片代替动物实验 这一芯片可容纳10种器官细胞,进而模拟人体内的循环系统。来自麻省理工...

发表于 2018-03-19 12:51 827次阅读
全光二极管和石墨烯又有新研发进展

全固态可充电电池似乎是未来发展的重要方向

每个电池都有正负两极,正负极通过电解质进行隔离,并将电能以化学能的形式储存于两极之中。两极之间发生的...

发表于 2018-03-18 11:19 1433次阅读
全固态可充电电池似乎是未来发展的重要方向

如何通过CVD实现单晶石墨烯的批量合成

说起石墨烯,几乎家喻户晓,其优异的机械和电学性能引起全世界科学家们疯狂的追捧。尽管目前在实验室中小尺...

发表于 2018-03-16 16:42 1357次阅读
如何通过CVD实现单晶石墨烯的批量合成

清华大学仿生石墨烯压力传感器研究取得重要进展

近日,清华大学微电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)上发表了题为《仿生针...

发表于 2018-03-16 14:28 1092次阅读
清华大学仿生石墨烯压力传感器研究取得重要进展

食物表面也能烧出石墨烯图案,未来可制作生物传感器...

激光诱导石墨烯技术还可在食物表面制作出可食用的生物传感器,监测食物中的大肠杆菌和其他潜在微生物。

发表于 2018-03-16 13:38 788次阅读
食物表面也能烧出石墨烯图案,未来可制作生物传感器...

锂电池重要材料铜箔的制造以及技术发展趋势

覆铜箔层压板及印制线路板用铜箔:CCL及PCB是铜箔应用最广泛的领域。PCB目前已经成为绝大多数电子...

发表于 2018-03-15 11:21 2271次阅读
锂电池重要材料铜箔的制造以及技术发展趋势

石墨烯充电宝来临,不快充的手机要怎么玩儿?

发表于 2017-11-24 11:42 1568次阅读
石墨烯充电宝来临,不快充的手机要怎么玩儿?

分享高手介绍视频-锂离子电池和电源管理--关键是免费

发表于 2017-10-09 19:56 992次阅读
分享高手介绍视频-锂离子电池和电源管理--关键是免费

聚碳9月石墨烯新产品发布会 不可错过的电池技术三大亮点

发表于 2017-09-02 11:42 486次阅读
聚碳9月石墨烯新产品发布会 不可错过的电池技术三大亮点