环化学院王勇教授课题组锂电池材料研究成果

　　环化学院王勇教授课题组在锂离子电池有机电极材料研究领域的最新研究成果论文.

　　锂离子电池作为一种高性能的能量储存装置，已广泛应用于各类移动电源和其他可再生清洁能源载体，而具有高能量密度和功率密度的新一代锂离子电池日趋受到人们的关注。为进一步提升锂离子电池的各项性能，王勇教授和孙炜伟副教授课题组对环保可再生的有机电极材料在锂离子电池上的应用展开研究，通过分子层面的设计构建了少层的两维共轭共价有机框架电极材料，大幅度提升了有机电极的储锂性能，可逆储锂容量可以高达1500mAh/g，与高容量无机电极材料相比毫不逊色。这一研究成果实现了对有机框架材料结构层间或内部活性储锂位点的充分激发与利用，从而获得了具有超高可逆储锂容量、优异循环稳定性的锂离子电池有机电极材料。同时通过深入的分阶段储锂机理探究，为有机框架电极材料的设计合成、衍生改型以及进一步的应用提供了一定的理论支撑与指导。

　　电动车和手机的下一代锂电池将会选择能量密度更高和安全性更好的全固态锂离子电池。我们国家为了加速新材料和全固态锂离子电池研发，“十三五”期间首次设立了“材料基因组技术”国家重点研发计划，并且希望通过材料基因组的高通量计算、合成、检测及数据库（大数据的机器学习和智能分析）的新理念和新技术加速全固态锂离子电池的研发，设立了“基于材料基因组技术的全固态电池研发”国家重点专项，该重点专项由北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授作为首席科学家，牵头组织11家单位共同承担。

　　该项目研发重要的部分包括新型固态电解质及固态电池材料各界面调控的研发。固态电解质主要分为无机固态电解质、固态聚合物电解质以及复合固态电解质。传统的固态聚合物电解质接近常温电导率低、电位窗口窄，无机固态电解质则是柔性差、具有较大的界面阻抗。作为二者的结合，复合固态电解质不仅具有柔性，并且在相对低温下具有良好的电导率，具有广阔的研究前景。

　　三个组分在其中各司其职，无机固态电解质提供了锂离子的通道，还能使得复合固态电解质具有较高的机械强度；有机大分子PEO不但能够传导锂离子，还起到了粘合陶瓷颗粒的作用；而有机小分子BPEG首先使PEO的结晶度降低，其次将固-固界面之间的硬接触变为了软接触，从而能够使得锂在金属锂上的沉积和脱出更加均匀。通过具有以上特性，该电解质能够很好地在物理上和化学上阻挡锂枝晶的产生。此外，60摄氏度下将固态电池的磷酸铁锂与金属锂分别作为正负极对该复合固态电解质进行电化学测试，0.1C的倍率下取得了158mAhg-1的比容量，2C的倍率下取得了94mAhg-1的比容量。该研究对于固态电解质的研究具有重要的指导价值。

　　该研究成果发表在最近的国际材料与能源的顶级期刊上，该工作由潘锋教授指导，由博士后杨卢奕作为第一作者及团队的合作下完成。该项工作得到国家材料基因重点专项和广东省创新团队的支持。

　　北极星储能网讯:近日，复旦大学化学系、新能源研究院夏永姚教授课题组首次提出一种新型的锂离子(钠离子)电池体系，该体系正极采用一种含有碘离子、锂离子/钠离子的水溶液，负极采用一种固态有机聚合物，电解质采用硝酸锂或硫酸锂的水溶液，聚合物离子交换膜作为隔膜将液态正极和固态负极分隔开。

　　据介绍，传统的锂电池的工作原理是基于锂离子在正负极电极的嵌入/脱嵌，也称“摇椅式电池”。新型电池工作原理与传统的锂离子电池相似：正极反应基于溶液中I3-/I-电对的氧化还原，负极反应基于聚酰亚胺上羰基的可逆烯醇化反应，锂离子/钠离子聚合物交换膜为电池隔膜，充放电过程中伴随着锂离子Li+(或钠离子Na+)在正负极之间的迁移。与传统电池有限的循环寿命和功率密度相比，该体系中电池的正负极电极反应均不涉及离子在固体材料中的扩散及其由此引起的充放电过程中电极材料的体积，能够将电池的高能量密度和电容器的长循环寿命与高功率密度有效地结合起来。实验表明，正负极材料均表现出较快的电极反应动力学，使得电池表现出类似电容器的高功率性能。电池在0~1.6V的电压窗口之间充放电，可以循环高达50,000次，这远远超过了传统可充电电池的循环寿命(<10,000次)。

　　相对于现有使用金属氧化物电极材料或有机电解质溶液的二次电池和液流电池，这种新型的锂离子(钠离子)电池体系中所有的组分(包括水溶液电解液和电极材料聚酰亚胺和碘基活性物质)都是环境友好无污染的。而且该电池体系中电极反应并不涉及金属元素的氧化还原，这也大大降低了电池的制造成本。该电池具有能量密度高、功率密度大、循环寿命长、安全性高、成本低等优异的性能，将来可望用于风力、太阳能发电等能量储存、智能电网峰谷调荷等。