莊 林

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電鍍鋰離子電池正極材料

莊 林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢 430072)

LiCoO2和LiMn2O4是常用的商業(yè)鋰離子電池正極材料1，這類材料由高溫?zé)Y(jié)工藝制備，然后與導(dǎo)電劑、粘接劑配成漿料，涂膜制成極片，最后與負(fù)極極片裝配成電池2。這類制備化學(xué)經(jīng)過了半個世紀(jì)的發(fā)展，在商業(yè)上取得了巨大的成功，已經(jīng)形成了目前鋰離子電池正極材料生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)工藝。然而，傳統(tǒng)工藝無法滿足未來新型應(yīng)用需求。例如，任意形狀電池、微型電池、柔性電池所需的可彎折可折疊性能、高比能所需的高負(fù)載量、高倍率電池亟需的三維電子和離子通路設(shè)計等等3–6，都需要制備工藝能夠在原位或者表面共形生長鋰離子電池正極材料。正極材料需要高溫才能獲得穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)，難以實現(xiàn)表面原位共形生長5。

最近，南京大學(xué)張會剛教授課題組與伊利諾伊大學(xué)香檳分校Paul Braun課題組合作，研究成功一種新型電鍍化學(xué)工藝，該方法將低價過渡族金屬如Co2+、Mn2+等溶解于200–300 °C熔鹽，通過電化學(xué)氧化的方式成功制備了O3相的LiCoO2和尖晶石相的LiMn2O4，由于電鍍工藝自身的優(yōu)勢，這種方法能夠在襯底或者模板上原位形成鋰電正極材料。相關(guān)成果發(fā)表在上7。作者利用新技術(shù)展示了厚膜固態(tài)正極、超高負(fù)載量正極和超柔性正極三個應(yīng)用實例，其中超高負(fù)載量正極可以實現(xiàn)20 mAh?cm?2的容量，超柔性電池能夠從0°–180°彎折10000次，仍然有36%的容量保持。

為了進(jìn)一步研究熔鹽電鍍的機(jī)理，作者系統(tǒng)地考察了熔鹽體系的優(yōu)勢區(qū)相圖，通過第一性原理計算結(jié)合傳統(tǒng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，修補(bǔ)和校正了所需物相的吉布斯自由能數(shù)據(jù)，在LiOH-KOH組成的熔鹽體系，研究了酸堿度對電鍍過程不同氧化還原反應(yīng)的電極電位影響規(guī)律，這項研究成果提供了一條顛覆傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工藝的新型鋰電正極材料制備化學(xué)工藝，從理論上解釋了材料生長機(jī)理，并且利用新方法制備和展示了高負(fù)載和超高柔性電池，為高性能鋰離子電池制備技術(shù)提供了全新的方法。

(1) Tarascon, J. M.; Armand, M.2001,, 359. doi: 10.1038/35104644

(2) Singh, M.; Kaiser, J.; Hahn, H.2015,, A1196. doi: 10.1149/2.0401507jes

(3) Arthur, T. S.; Bates, D. J.; Cirigliano, N.; Johnson, D. C.; Malati, P.; Mosby, J. M.; Perre, E.; Rawls, M. T.; Prieto, A. L.; Dunn, B.. 2011,, 523. doi: 10.1557/mrs.2011.156

(4) Hu, Y.; Sun, X.2014,, 10712. doi: 10.1039/c4ta00716f

(5) Zhou, G.; Li, F.; Cheng, H. M.2014,, 1307. doi: 10.1039/c3ee43182g

(6) Nishide, H.; Oyaizu, K.2008,, 737. doi: 10.1126/science.1151831

(7) Zhang, H.; Ning, H.; Busbee, J.; Shen, Z.; Kiggins, C.; Huang, Y.; Eaves, J.; Davis, J.; Shi, T.; Shao, Y. T.; Zuo, J. M.; Hong, X.; Chen, Y.; Wang, S.; Wang, P.; Sun, P.; Xu, S.; Liu, J.; Braun, P. V.2017,, e1602427. doi: 10.1126/sciadv.1602427

Electroplating Lithium Ion Battery Cathodes

ZHUANG Lin

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10.3866/PKU.WHXB201705224