探讨具有二维纳米流体通道高倍率性能的锂离子电池材料

近年来，锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长且对环境友好等特点，逐渐成为便携式电子设备的主流电源，并且被认为是可以应用于电动汽车以及混合电动汽车驱动装置中最有前景的电源。此外，锂离子电池可以将太阳能、风能等绿色能源储存与转换，以缓解上述绿色能源的间断性与不稳定性，实现能量的供需平衡。目前，诸多领域关于锂离子电池的需求量日益增大，对能量密度和快速充放电的能力提出了更高的要求。然而，传统电极材料的容量以及快速充放电的能力已经达到瓶颈。因此，研发高倍率性能的电极材料以满足有效且快速的能量存储与输出迫在眉睫。

针对这些问题，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授课题组与哈尔滨工业大学的陈刚教授合作提出将二维纳米流体（2DNanofluidic）结构引入氧化钴负极材料来提高材料的倍率性能。该团队通过简单的溶胶凝胶法制备了阴离子基团表面修饰的纳米片，这些修饰的基团促使纳米片组装成能够自支撑的层层堆叠结构。纳米片层的间距稍小于锂离子德拜长度的二倍，可以为锂离子的传输供应二维流体通道。通道内壁的负电基团会选择性吸引锂离子、排斥负电离子，加速锂离子的传输。通过电化学测试发现，流体通道纳米片的离子电导率比块体材料增大几个数量级，电池的倍率性能得到大幅度的提高。（1）固态化

为了防止锂离子电池电解液发生漏液、燃烧、爆炸等安全性问题，电解质材料正在向固态化发展，重要研究的方向有无机固体电解质、固态聚合物电解质、固-液复合电解质。

（2）新型溶剂体系

腈类、砜类溶剂与石墨负极的相容性不如常用的碳酸酯类溶剂，目前研究的重要方向是降低新型溶剂体系的成本、提高与现有负极材料的相容性。

（3）高电压电解液

高电压电解液的重要研究方向是同步提高正极材料与电解液的电压水平。

四、锂离子电池隔膜材料

隔膜成本约占电池成本的20%，是电池材料的重要组成部分，重要用途是将电池的正、负极隔离，保证电池安全、实现充放电功能，重要要求是绝缘性要好。隔膜作为高分子功能材料，发展前景广阔、附加值高、成本低、效益前景可观。国内隔膜生产公司重要有星源电子科技(深圳)有限公司、北京泰和中科科技有限公司、佛山市金辉高科光电材料有限公司、重庆明珠塑料有限公司、河南义腾新能源科技有限公司、南通天丰电子新材料有限公司。

1.重要的隔膜材料

为了便于气体扩散，应选择透气性好且薄的锂离子动力锂电池隔膜材料，一般为聚烯烃类微孔薄膜材料，包括聚乙烯单层膜、聚丙烯单层膜及2种材质的双层或3层复合膜，薄膜厚度约为10～20μm。隔膜的研究方向重要集中在提高强度、稳定性和孔隙率等方面。

2.隔膜材料的研发

目前低端隔膜市场产量过剩，但高端隔膜市场与国外产品质量仍有一定差距，存在质量均匀性和稳定性问题，市场供不应求，严重依赖日本、美国等少数几个国家的进口。

3.隔膜材料的发展趋势

（1）表面改性处理

通过涂覆无机陶瓷涂层或有机涂层对隔膜材料表面改性、增强等技术手段提高隔膜物性指标，如穿刺强度、拉伸强度、热收缩率、耐高温、耐高压等。

（2）隔膜材料薄型化

要提高锂离子电池的容量就必须将隔膜向轻薄化方向发展，掌握薄型隔膜生产技术将在未来的竞争中处于有利位置，但这同时对隔膜材料的生产制备、工艺水平提出了更高的要求，要不断进行研发与突破。