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我国科学家巧用“可乐”破解锂电能量焦虑

   2024-06-06 新华社
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核心提示:上海交通大学讲席教授黄富强团队、清华大学助理教授董岩皓团队将三元电池材料浸入可乐中,发现二氧化碳气泡会定向包裹三元电池材

上海交通大学讲席教授黄富强团队、清华大学助理教授董岩皓团队将三元电池材料浸入可乐中,发现二氧化碳气泡会定向包裹三元电池材料颗粒,形成部分锂离子空位,将地球储量丰富的钙离子填充进空位后生成的表面钝化层可大幅提升正极材料的稳定性,缓解锂离子电池能量焦虑。该成果近期发表于国际学术期刊《先进材料》。

黄富强介绍,在可乐中插入一根纸吸管,饮料中的气泡会加剧产生、甚至溢出。这是因为粗糙的纸吸管表面为可乐中的二氧化碳提供了丰富的成核位点,在微观结构中形成了连续的二氧化碳膜。

利用该原理,团队用三元电池材料取代纸吸管,其粗糙表面也会为二氧化碳气泡提供丰富的成核位点,促进二氧化碳气泡与三元电池材料的化学反应,从而生成表面高度均匀的“碳酸锂基底层”并留下一些锂离子空位,研究人员将这一过程称为“气泡靶向封装”。

团队研究发现,“碳酸锂基底层”还是室温下掺杂各种金属离子的优良基底。以地球储量丰富的钙为例,将钙离子掺杂进“碳酸锂基底层”,部分锂离子空位会被填充形成具有极高弹性的含钙离子的碳酸锂“表面钝化层”。“表面钝化层”不仅有助于抵抗三元正极界面间的副反应,抑制氧气的析出,减少材料相变,提升正极材料的稳定性,还能作为“缓冲器”,缓解电池材料外表面与内部晶界的应力,系统提升电池能量密度。

可乐气泡靶向封装与掺杂金属离子表面钝化技术示意图(受访者供图)

团队引入“堆积因子”计算模型,用于指导弹性“表面钝化层”的构建。“堆积因子”简单讲,就是材料的实际体积除以所占空间体积。堆积因子的数值越低,意味着材料晶体结构的堆积越松散,表面钝化层的弹性越高。计算结果证实,钙、铝、锶、稀土离子都是堆积因子较低、能构建出理想的超高弹性表面钝化层的优异掺杂离子。

电池测试表明,三元锂电在1C倍率、100次循环后,容量保持率高达91.2%;当电压进一步提升至4.8V时,三元锂电正极材料可拥有918Wh/kg的超高能量密度和100次循环后89.5%的优异容量保持率,优于市场主流高镍/超高镍正极材料。将“气泡靶向封装+表面钝化”界面改性技术进一步推广,研究团队发现,不仅三元锂电正极材料可以适用于该界面改性技术,钴酸锂、富锂锰等具有超高能量密度潜力的层状正极锂电材料均可适用。



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