中國粉體網(wǎng)訊 隨著新能源汽車的快速發(fā)展，動(dòng)力電池的需求也出現(xiàn)快速增長。作為新能源汽車動(dòng)力電池關(guān)鍵原材料，鋰電池材料在新能源汽車持續(xù)高增長發(fā)展的背景下，行業(yè)高景氣度有望延續(xù)。另外，考慮到此前的補(bǔ)貼機(jī)制在2017至2020年期間，除燃料電池車以外，其他車型補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)要適當(dāng)“退坡”的背景，國內(nèi)各大車企今年下半年很可能會(huì)加足馬力沖刺今年的銷售業(yè)績，而這將進(jìn)一步釋放鋰電池行業(yè)產(chǎn)能。
根據(jù)我國新能源汽車發(fā)展規(guī)劃測算，“十三五”期間，國內(nèi)動(dòng)力電池總需求在170Gwh左右；電子數(shù)碼產(chǎn)品對(duì)鋰電池的需求增速比較穩(wěn)定，預(yù)計(jì)消費(fèi)電池總需求為100Gwh左右，加上儲(chǔ)能消費(fèi)電池總需求為30Gwh左右，合計(jì)超過300Gwh。這意味著在“十三五”期間，鋰電池需求年平均增速將達(dá)到25%以上。
鋰離子電池是當(dāng)今社會(huì)移動(dòng)電子設(shè)備的必要電源，由正極、負(fù)極、隔膜、電解液等組成，其關(guān)鍵性能指標(biāo)（如倍率性能和循環(huán)壽命）由正極材料的電化學(xué)性能決定。其中正極材料是鋰離子電池四大關(guān)鍵材料之一，約占電池制造成本的30%，是決定電池安全、性能、成本和壽命的關(guān)鍵材料。在鋰電正極材料領(lǐng)域，全球正極材料的生產(chǎn)主要集中于中日韓三國，全球約50%的正級(jí)材料出貨量集中于中國市場，約30%集中于日韓市場。
LiFePO4是公認(rèn)的正極材料，為提高其電化學(xué)性能，人們長期致力于縮短鋰離子的擴(kuò)散距離，即減小[010]方向的尺寸。最近的研究表明，電極由大量粒子組成，其電化學(xué)性能主要依賴于充放電過程中同時(shí)參與電化學(xué)反應(yīng)的粒子（活化粒子）占總粒子數(shù)的比例。因此，如何獲得具有高活化粒子數(shù)比例的LiFePO4是正極材料研究的關(guān)鍵問題。
針對(duì)此問題，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室高性能陶瓷材料研究部王曉輝課題組在前期研究基礎(chǔ)上（J. Phys. Chem. C 114: 16806 (2010);Phys. Chem. Chem. Phys. 14:2669 (2012); Cryst Eng Commun 16:10112 (2014)），通過創(chuàng)造極度缺水的酸性合成環(huán)境，在國際上首次制備出12nm厚的[100]取向LiFePO4超薄納米片。電壓回滯實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示由該材料構(gòu)成的電極具有迄今為止最小的電壓間隙（voltage gap），恒電位間隙滴定測試結(jié)果說明此電極具有高的活化率和轉(zhuǎn)化率，這些結(jié)果表明由[100]取向LiFePO4超薄納米片構(gòu)成的電極具有高的活化粒子數(shù)比例。因而，該電極具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)壽命。在10C（60分鐘/10=6分鐘）充放電倍率下，循環(huán)1000次后能保持初始容量的90%。在20C充放電倍率下，容量仍可達(dá)到理論容量的72%。該工作為今后進(jìn)一步提高鋰離子電池倍率性能提供新的方法和視角，即不僅可以通過減小[010]方向的尺度來縮短鋰離子的擴(kuò)散距離，同時(shí)還可以通過調(diào)控[100]方向的尺寸來提高鋰離子電池的活化粒子數(shù)比例來提高鋰離子電池倍率性能。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在1月13日出版的Nano Letters (16: 795-799)雜志上。該工作得到金屬所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”項(xiàng)目和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。
圖1（a）新合成的樣品和把樣品分散后再滴到非晶硅上的XRD圖譜。（b）圖a的示意圖。（c,d）LiFePO4的TEM圖。（e）對(duì)應(yīng)（d）的電子衍射花樣。用高斯函數(shù)擬合LiFePO4晶粒沿著不同方向的尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。（f）a軸，12nm，（g）b軸，134nm，（h）c軸，280nm。
圖2（a）[100]取向，微波輔助合成以及[010]取向LiFePO4的形貌示意圖。（b）在不同的充放電電流下，從C/2到C/100，分別由[100]取向、微波輔助合成、[010]取向的LiFePO4構(gòu)成的三種電極的電壓間隙。（c）在LiFePO4中Li化學(xué)勢相對(duì)于Li分?jǐn)?shù)變化的函數(shù)關(guān)系，其中存在一個(gè)最大轉(zhuǎn)變勢壘（Δμb），定義為極大值和在不相混溶區(qū)中間的化學(xué)勢之差。（d）[100]取向和微波輔助合成LiFePO4電極的恒電位間隙滴定及其擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。
根據(jù)我國新能源汽車發(fā)展規(guī)劃測算，“十三五”期間，國內(nèi)動(dòng)力電池總需求在170Gwh左右；電子數(shù)碼產(chǎn)品對(duì)鋰電池的需求增速比較穩(wěn)定，預(yù)計(jì)消費(fèi)電池總需求為100Gwh左右，加上儲(chǔ)能消費(fèi)電池總需求為30Gwh左右，合計(jì)超過300Gwh。這意味著在“十三五”期間，鋰電池需求年平均增速將達(dá)到25%以上。正極材料技術(shù)的突破，將在未來為我國鋰電池行業(yè)乃至新能源汽車行業(yè)的發(fā)展帶來助力。
根據(jù)我國新能源汽車發(fā)展規(guī)劃測算，“十三五”期間，國內(nèi)動(dòng)力電池總需求在170Gwh左右；電子數(shù)碼產(chǎn)品對(duì)鋰電池的需求增速比較穩(wěn)定，預(yù)計(jì)消費(fèi)電池總需求為100Gwh左右，加上儲(chǔ)能消費(fèi)電池總需求為30Gwh左右，合計(jì)超過300Gwh。這意味著在“十三五”期間，鋰電池需求年平均增速將達(dá)到25%以上。
鋰離子電池是當(dāng)今社會(huì)移動(dòng)電子設(shè)備的必要電源，由正極、負(fù)極、隔膜、電解液等組成，其關(guān)鍵性能指標(biāo)（如倍率性能和循環(huán)壽命）由正極材料的電化學(xué)性能決定。其中正極材料是鋰離子電池四大關(guān)鍵材料之一，約占電池制造成本的30%，是決定電池安全、性能、成本和壽命的關(guān)鍵材料。在鋰電正極材料領(lǐng)域，全球正極材料的生產(chǎn)主要集中于中日韓三國，全球約50%的正級(jí)材料出貨量集中于中國市場，約30%集中于日韓市場。
LiFePO4是公認(rèn)的正極材料，為提高其電化學(xué)性能，人們長期致力于縮短鋰離子的擴(kuò)散距離，即減小[010]方向的尺寸。最近的研究表明，電極由大量粒子組成，其電化學(xué)性能主要依賴于充放電過程中同時(shí)參與電化學(xué)反應(yīng)的粒子（活化粒子）占總粒子數(shù)的比例。因此，如何獲得具有高活化粒子數(shù)比例的LiFePO4是正極材料研究的關(guān)鍵問題。
針對(duì)此問題，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室高性能陶瓷材料研究部王曉輝課題組在前期研究基礎(chǔ)上（J. Phys. Chem. C 114: 16806 (2010);Phys. Chem. Chem. Phys. 14:2669 (2012); Cryst Eng Commun 16:10112 (2014)），通過創(chuàng)造極度缺水的酸性合成環(huán)境，在國際上首次制備出12nm厚的[100]取向LiFePO4超薄納米片。電壓回滯實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示由該材料構(gòu)成的電極具有迄今為止最小的電壓間隙（voltage gap），恒電位間隙滴定測試結(jié)果說明此電極具有高的活化率和轉(zhuǎn)化率，這些結(jié)果表明由[100]取向LiFePO4超薄納米片構(gòu)成的電極具有高的活化粒子數(shù)比例。因而，該電極具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)壽命。在10C（60分鐘/10=6分鐘）充放電倍率下，循環(huán)1000次后能保持初始容量的90%。在20C充放電倍率下，容量仍可達(dá)到理論容量的72%。該工作為今后進(jìn)一步提高鋰離子電池倍率性能提供新的方法和視角，即不僅可以通過減小[010]方向的尺度來縮短鋰離子的擴(kuò)散距離，同時(shí)還可以通過調(diào)控[100]方向的尺寸來提高鋰離子電池的活化粒子數(shù)比例來提高鋰離子電池倍率性能。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在1月13日出版的Nano Letters (16: 795-799)雜志上。該工作得到金屬所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”項(xiàng)目和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。
圖1（a）新合成的樣品和把樣品分散后再滴到非晶硅上的XRD圖譜。（b）圖a的示意圖。（c,d）LiFePO4的TEM圖。（e）對(duì)應(yīng)（d）的電子衍射花樣。用高斯函數(shù)擬合LiFePO4晶粒沿著不同方向的尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。（f）a軸，12nm，（g）b軸，134nm，（h）c軸，280nm。
圖2（a）[100]取向，微波輔助合成以及[010]取向LiFePO4的形貌示意圖。（b）在不同的充放電電流下，從C/2到C/100，分別由[100]取向、微波輔助合成、[010]取向的LiFePO4構(gòu)成的三種電極的電壓間隙。（c）在LiFePO4中Li化學(xué)勢相對(duì)于Li分?jǐn)?shù)變化的函數(shù)關(guān)系，其中存在一個(gè)最大轉(zhuǎn)變勢壘（Δμb），定義為極大值和在不相混溶區(qū)中間的化學(xué)勢之差。（d）[100]取向和微波輔助合成LiFePO4電極的恒電位間隙滴定及其擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。
根據(jù)我國新能源汽車發(fā)展規(guī)劃測算，“十三五”期間，國內(nèi)動(dòng)力電池總需求在170Gwh左右；電子數(shù)碼產(chǎn)品對(duì)鋰電池的需求增速比較穩(wěn)定，預(yù)計(jì)消費(fèi)電池總需求為100Gwh左右，加上儲(chǔ)能消費(fèi)電池總需求為30Gwh左右，合計(jì)超過300Gwh。這意味著在“十三五”期間，鋰電池需求年平均增速將達(dá)到25%以上。正極材料技術(shù)的突破，將在未來為我國鋰電池行業(yè)乃至新能源汽車行業(yè)的發(fā)展帶來助力。
