電鍍鋰離子電池正極材料

莊 林

?

電鍍鋰離子電池正極材料

莊 林

(武漢大學化學與分子科學學院，武漢 430072)

LiCoO2和LiMn2O4是常用的商業鋰離子電池正極材料1，這類材料由高溫燒結工藝制備，然后與導電劑、粘接劑配成漿料，涂膜制成極片，最后與負極極片裝配成電池2。這類制備化學經過了半個世紀的發展，在商業上取得了巨大的成功，已經形成了目前鋰離子電池正極材料生產的標準工藝。然而，傳統工藝無法滿足未來新型應用需求。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、高比能所需的高負載量、高倍率電池亟需的三維電子和離子通路設計等等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定相結構，難以實現表面原位共形生長5。

最近，南京大學張會剛教授課題組與伊利諾伊大學香檳分校Paul Braun課題組合作，研究成功一種新型電鍍化學工藝，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。相關成果發表在上7。作者利用新技術展示了厚膜固態正極、超高負載量正極和超柔性正極三個應用實例，其中超高負載量正極可以實現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。

為了進一步研究熔鹽電鍍的機理，作者系統地考察了熔鹽體系的優勢區相圖，通過第一性原理計算結合傳統熱力學數據，修補和校正了所需物相的吉布斯自由能數據，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的電極電位影響規律，這項研究成果提供了一條顛覆傳統標準工藝的新型鋰電正極材料制備化學工藝，從理論上解釋了材料生長機理，并且利用新方法制備和展示了高負載和超高柔性電池，為高性能鋰離子電池制備技術提供了全新的方法。

(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

()

10.3866/PKU.WHXB201705224