日本国立材料研究所：全尺寸锂电池电极结构的理论设计与实验探究

Theoretical and Experimental Sets of Choice Anode/Cathode Architectonics for High‑Performance Full‑Scale LIB Built‑up Models

H. Khalifa, S. A. El‑Safty, A. Reda, M. A. Shenashen, M. M. Selim, A. Elmarakbi, H. A. Metawa

Nano-Micro Lett.(2019)11:84

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0315-8

本文亮点

1 对具有三维超强扩展能力的层次结构正负极模型进行调整，应用调整后的结构模型进行全尺寸LIB的设计。

2 调整后可扩展的动态结构提供了有效的扩散通道，保证了LIB良好的电化学性能。

3 利用密度泛函理论理论进行表面电子和电荷图分析，结果表明结构调整后的正负极材料制作的全尺寸LIB具有优异的性能。

研究背景

锂离子电池(LIBs)广泛应用于笔记本电脑，摄像机，智能手机等便携电子设备，是目前主要的电化学存储装置之一。研究人员始终致力于改善LIBs的性能，以提高能量密度、倍率性能和寿命。研究发现，LiFePO4 (LFPO)和LiMnPO4 (LMPO)被认为是新一代LIBs正极材料的最佳选择。LFPO由于循环稳定性突出，比LMPO具有更广泛的商业应用潜力。此外，LFPO结构稳定性好、成本低、无毒、容量大、热稳定性高。然而，LFPO正极的电子和离子导电性差、速率能力差阻碍了其在零排放运输中的大规模使用。必须合成具有理想结晶取向的LFPO结构的混合电极材料，以提高导电性、倍率能力和离子在界面上的扩散性能。纳米过渡金属氧化物被报道为用于锂电池并极具发展前景的负极材料，TiO2具有安全性高、成本低、无毒、无污染、极化率低、循环稳定性好、可燃性好等特点，已成为最具吸引力的材料之一。

内容简介

日本国立材料研究所NIMS的S. A. El‑Safty教授课题组，通过正负极材料结构的理论模拟和实验设计并将设计后的材料应用于全尺寸的锂离子电池中，探索出应用全尺寸锂电池的最佳材料结构组合。

为了进行电动汽车锂离子电池(LIB)组件的功率层次设计，该课题组提供了可在全尺寸的LIB组件模型中可选正负极结构的理论和实验装置。在锂电池主要结构构造、3D超结构锂离子电池分别以龙舌兰花状的TiO2@C(FRTO@C)和星塔积木状的LiFePO4@C(VST@C)作为正负极。随着移动电子运动、电子从内到外的相互作用和电子/电荷云分布调整，加之电池内的多结构层次的电极表面和多方向的离子通道的存在，最终会形成一个电池内部的等势面电位电极。

本研究首次通过评估所选正负极结构的热键来组装具有高迁移率的电子/离子流和高性能容量功能的不同的LIB电极平台。密度泛函理论计算表明，FRTO@C型阳极和VST-(i)@C型阴极结构是全尺寸LIB组合模型的优选结构。集成FRTO@C//VST-(i)@C的全尺寸LIB保持了巨大的放电容量(~ 94.2%)，在1 C 下循环2000次后的平均库仑效率为99.85%，能量密度为127 Wh/kg，满足了商用电动汽车不断增长的需求。

图文导读

I 优越的full-scale LIB正负极组合结构

对LIB整合优越的正负极结构进行设计 (FRTO@C负极/ /VST-(i)@C正极)配置，达到长期稳定循环与优良的放电容量(94.2%)。在室温下0.8-3.5 V电压范围内，在1C倍率下循环2000次，平均库仑效率仍可达99.85%。

图1 (a-c)可充电锂电池组的圆柱设计制作，该电池组使用功率等级组合的FRTO@C负极//VST@C正极电极，用于电动汽车(LIB-EVs)的长期锂化/脱锂循环过程。(c)在LIBs中，密集的(FRTO) 和(VST)模块正负电极的3d结构。(a,b)在LIB整体设计和循环过程中，正负极优越的结构形态和化学组成对下一代电动汽车(LIB-EVs)扮演着重要角色。

II VST正极与FRTO负极体系结构的微观图像

图2 LiFePO4@ C(正极，a-i)和TiO2@ C(负极，j-k) 非均质复合结构的低分辨率FE-SEM、STEM-EDS以及元素映射图片，这些结构都被指定在垂直星型塔(VST)结构和龙舌兰花形结构(FRTO)中。(a,b)VST-(i) 和(d1-2)VST-(ii)@C层次表面的FE-SEM和STEM-EDS图像。(e-i)高分辨率FE-SEM图像，(e)VST-(iii)@C， (f)VST-(iv)@C， (g)VST-(v)@C， (h)VST-(vi)@C，(i-1, i-2)VST-(vii)@C复杂的多层凝结结构模块，(j-1，j-2)FE-SEM图像，(k)(FRTO@C)负极形态明亮的STEM图像俯视图和EDS元素映射图，这是在羽状多刺、树枝状肉质针状末端分支、密集的龙舌兰花座层次结构中指定观察得到的。

III 在LIB中优越的正负极空间体系结构

图3 (a, c)VST-(i)正极和FRTO负极的XRD图谱。(b, d)VST正极与正交晶[-12-1]- LFPO和FRTO负极与金红石[011]- TiO2结构的晶格方向。(e, g)VST- (i)@C正极和FRTO@C负极的低倍放大HR-TEM显微照片的俯视图。(f, h)沿[-12-1]和[011]面定向的VST-(i)@C正极和FRTO@C负极的高倍HR-TEM显微照片，f和h的嵌入物被选择为区域电子衍射模式。(i)N2对中央空位的结构材料的吸附-解吸等温线，单位为m2/g表面积的表面参数，(j)孔径分布曲线，包括[VST-(i)@C、VST-(ii)@C、VST-(iii)@C、VST-(iv)@C、VST-(v)@C、VST-(vi)@C、VST-(vii)]@C正极结构的孔径(dp/nm)。

IV 正极VST-(i-vii)@C的电化学性能

图4 (a-c)循环伏安图(CVs)综合考察了正极VST-(i-vii)@C的电化学性能，图为不同VST-(i)@C、VST-(ii)@C、VST-(iii)@C、VST-(iv)@C、VST-(v)@C、VST-(vi)@C、VST-(vii)@C阴极的CV曲线。(b)从1到100次循环下，在0.1 mV s-1和不同的扫描率(0.1,0.2,0.5,1、2和5 mV/s)，LIB半电池中VST-(i)@C正极的CV曲线。(c)在室温下2.0-4.3 V的电压范围内，半电池VST-(i)@C阴极的电化学测试。(d)在正极VST- (i vii)@C不同体系结构下，电导率对温度依赖性示意图。

作者简介Mohamed A Shenashen

日本国立材料研究所(NIMS)

▍主要研究领域

纳米科学和纳米技术，包括纳米结构混合材料的设计和制造以及纳米技术在环境中的环境影响和用于水处理的改进传感器。

▍主要研究成果

共担任负责过Carbon based materials forbiosensing applications，Composite materialsprocessing，JAEA Project等10项重大科研项目。至今共发表了包括Scientific Reports, Nano-Micro Letters, Journal of Environmental Chemical Engineering, Journal of Inorganic Materials, Environmental Progress & Sustainable Energy等期刊在内论文共100余篇，累计他引1945次。

HeshamKhalifa

日本国立材料研究所(NIMS)

▍主要研究领域

材料化学、电化学和纳米技术。

▍主要研究成果

共担任负责过Photo-electrochemical biosensor, Novel Physical Deposition Technique (UniformThickness), Thermo Electric Control等重大项目。至今共发表了包括Scientific Reports, Nano-Micro Letters, Journal of Applied Electrochemistry, Journal of Materials Chemistry B等杂志在内论文共12篇，累计他引71次。

撰稿：《纳微快报》编辑部

编辑：《纳微快报》编辑部

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