Nature Energy评论：电池革命和进化数码打样
华杰机械网 2022-10-10 00:23:32
近日，NatureEnergy发表题为"Batteryrevolutiontoevolution"的社论。文中称在便携式电子产品领域以及交通运输和电网规模存储领域，锂离子电池（LIBs）所带来的惊人进步和社会变革被人们津津乐道，以至于人们觉得诺贝尔委员会应该早早认可三位LIBs先驱所做出的贡献。尽管如此，他们在奠定锂离子化学基础上的开创性工作的故事却屡见不鲜。因此，认识到目前商业LIBs发展道路上的关键里程碑，考虑未来电池的发展道路是非常重要的。
这场革命始于20世纪70年代的石油危机，当时社会迫切要替代能源来取代化石燃料。当时的电池如铅酸和镍镉，并没有给高能量输出带来很大希望。StanleyWhittingham在1974年的ChemicalCommunications杂志上发表了第一篇文章，他指出离子可以电化学插层到层状过渡金属二硫化物中，比如TiS2。正如他后来在1976年的Science上所证明的那样，这种插层化学使第一个由TiS2正极和金属锂负极组成的可充电锂离子电池成为可能。
电池研究进程
JohnGoodenough和他的同事在1980年的MaterialsResearchBulletin中报道了一种正极LiCoO2（LCO），它具有和TiS2类似的层状结构，并且能够脱嵌锂离子。而这种新的正极使TiS2的工作电压新增了一倍，从而导致能量密度显著提高。在众多的正极材料中，LCO是最成功：它目前仍在大多数智能手机中使用。早期的可充电锂离子电池只有在实验室才获得成功，重要问题在于使用金属锂负极，这种负极具有很高的化学活性，会导致显著的副反应。在充电过程中，由于锂离子沉积，它们容易形成枝晶，从而导致短路的危险。这也是埃克森美孚试图将Li-TiS2体系商业化失败的科学原因之一。这一突破得益于1985年的专利，在专利中AkiraYoshino和他的同事报道了第一个实用的锂离子电池原型，将含碳材料作为负极，将LCO作为非水电解质中的正极。
充电温度：-20~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃支持最大放电倍率：3C
-40℃ 3C放电容量保持率≥70%
虽然Yoshino的电池看起来异常简单，但它开辟了一个新的设计理念：活性金属锂负极可以被更良性的非金属化合物（如碳质材料）取代，这些化合物能够储存锂离子，同时消除和使用金属锂有关的问题。索尼公司很快采纳了Yoshino的策略，制造出了世界上第一款带有软碳负极和LCO正极的商用锂离子电池，其能量密度达到80Whkg–1，是普通铅酸电池的两倍。该公司后来采用了石墨负极和聚合物凝胶电解质来生产第一批商用聚合物电池。商用电池负极向石墨的转变很重要，因为它允许更高的工作电压，和优化的LCO正极一起，具有190Whkg-1的能量密度。电解液的革新也大大降低了成本，提高了安全性。
汽车电气化需求
虽然便携式电子设备已经成功地由石墨基锂离子电池供电，但汽车电气化迫切要更高能量密度的电源。为了实现这一目标，人们在寻找未来电极方面付出了巨大的努力。在最有希望的方法中，金属锂是所有锂负极中比容量最高的，但面对着同样的问题。而借助纳米技术和电解液的发展，能够解决这些问题。在NatureEnergy中，LiuJun提出了实现高能长循环锂金属电池的独特途径。特别令人鼓舞的是，这个原型锂金属电池具有300Whkg–1。
在正极方面，层状Ni-Mn-Co氧化物和Ni-Co-Al氧化物是当今电动汽车电池中最重要的正极材料。这些材料和LCO有着密切联系，但它们的元素成分具有可调性。关于下一代正极，如层状富Li和Mn基氧化物和富Ni氧化物，正在进行深入的研究，它们可以供应更高的电压或容量，从而具有更高的能量密度。
未来发展
充电温度：0~45℃
放电温度：-40~+55℃
比能量：240Wh/kg
-40℃放电容量保持率：0.5C放电容量≥60%