预锂化方法构筑低温锂离子电池取得突破

近日, iChEM 研究人员、复旦大学王永刚教授及其研究小组采用一种简单的预锂化方法,构筑了Li2V2(PO4)3//LixC锂离子电池体系,其表现出高功率、长寿命和良好的低温性能。相关的研究成果于2017年11月14日在线发表于《德国应用化学》 (Angewandte Chemie International Edition, 2017, DOI:10.1002/anie.201710555)。

近年来,以锂离子电池为动力的电动汽车正在迅速发展。然而,众所周知,锂离子电池的性能随着温度的降低而迅速下降。这将大大限制电动汽车在冬季或一些高寒地区的应用。前期的研究表明,除了电解液在低温下的低离子电导,基于石墨负极的常规锂离子电池的低温性能还被低温下锂离子进出石墨过程的脱溶剂/溶剂化所限制。针对这一问题,该课题组采用预锂化的硬碳负极取代传统的石墨负极,并和磷酸钒锂 (Li2V2(PO4)3)正极结合构成了一个新的电池体系。

近年来,预锂化硬碳(Prelithiated hard carbon)已经应用于混合型锂离子电容器,并表现出优异的电化学性能。然而,预锂化工艺复杂、成本高,其涉及到纯锂电极的使用,存在安全隐患。在这一研究中,研究人员巧妙地利用了Li3V2(PO4)3正极材料的多步脱锂过程, 实现了硬碳的预锂化。

在首次充电过程中,锂离子从正极脱出形成Li2V2(PO4)3,同时脱出的锂离子会嵌入到硬碳负极,并形成了预锂化的硬碳负极(LixC)。随后,Li2V2(PO4)3与LixC构成了一个锂离子电池体系。当在3.5之4.3V充放时候,该电池表现出类似超级电容器的高功率和长寿命。此外,虽然使用了常规的电解液LB303,该电池表现出优异的低温性能。在零下40摄氏度时,其的容量能够保持常温容量的67%,远优于常规的锂离子电池。这主要得益于纳米碳包覆Li2V2(PO4)3正极材料自身良好的低温性能和预锂化硬碳负极在低温下的相对快速的动力学过程。

然而值得注意的是,该电池体系中只利用了Li3V2(PO4)3的部分容量,能量密度有限,比较适合用作起停电池。此外,随着温度降低,电解液的离子电导迅速下降,增加了电池内阻,因此,该电池在低温下表现出明显的极化。在后续研究中,还需要进一步开发高性能低温电解液,用于提升这种电池在低温下的电化学性能。