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    CRPS:王朝阳院士团队实现高比能电池的高安全和长寿命

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    •   近日,宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上发表了一篇研究论文,他们采用高镍三元材料,在电解液中加入少量的TAP使电池钝化,制备了高比能的锂离子电池(292 Wh/kg),同时具有极高安全性和高温稳定性(safe,energy-dense battery ,SEB)。

      CRPS:王朝阳院士团队实现高比能电池的高安全和长寿命

        背景介绍

        高镍三元锂离子电池具有高比能量,但其电化学和热稳定性较差,有着较大的安全隐患。采用磷酸三烯丙酯(triallyl phosphate, TAP)添加剂不仅可以钝化电池,而且在导体表面形成绝缘层。在苛刻的针刺实验中,其安全性与磷酸铁锂电池比肩,并且在60oC循环2413次容量保持率高达76%。

        成果简介

        王朝阳院士团队采用高镍三元材料,在电解液中加入少量的TAP使电池钝化,制备了高比能的锂离子电池(292 Wh/kg),同时具有极高安全性和高温稳定性(safe,energy-dense battery ,SEB)。TAP添加剂具有类似血液中血小板的功能,在电池的导体表面形成电子绝缘层,能有效防止或减轻电池短路的危害 (图 1)。SEB 电池针刺后1秒电压从4.18V下降到3.77V,5秒时电池电压上升到3.91V,然后电压趋于稳定,由此显示针刺5秒内的自修复过程导致短路电阻显著增加。短路电阻(主要是钢针与电极和铜/铝集流体之间的接触电阻)高达786 mΩ,短路电流只有1.52 C, 电池温度上升到55oC,远低于热失控温度,表现出极高的安全性。

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        图1.  高能锂离子电池具有钝化、自修复特性从而具有高安全性能。

        与常温下操作的常规电池相比,SEB 电池从常温通过自加热到60oC, 消耗3.1%的能量,功率提高了 59%,实现需要的大功率(图2)。

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        图 2.  温度对功率的影响

        SEB-3 电池 (TAP: 1.5%)在60oC 循环1914次,容量衰减20%。而相同温度下,常规电池仅循环303 容量就衰减20%,SEB-3 电池的高温稳定性是常规电池的6.3倍。常规电池60oC 循环403次,电池厚度增加16.9, 而SEB-3 电池循环2413次,厚度增加6.7%,可见常规电池的厚度膨胀速度是SEB-3的15 倍(图3)。

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        图 3.  高温循环稳定性

        电动车用电池,90-95%的时间处于待机状态(rest), 电池的储存寿命非常重要。满充(100% SOC)的新的常规电池比新的SEB-3电池自放电速度快6倍左右,储存20天以后,自放电速度快3倍左右 (图4)。另外,满充的常规电池在60oC 产气而鼓胀 (图4)。

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        图4. 电池100% SOC的储存寿命

        虽然高镍三元(NCM811)电池比磷酸铁锂电池贵25%, 但能量密度提高69%。图5总结了SEB电池在比能量、能量密度、功率、安全性、循环寿命、储存寿命等方面集合了常规电池和磷酸铁锂电池的优点。

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        图 5. SEB电池与常规电池,磷酸铁锂电池的比较

        相关论文信息

        论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上,点击“阅读原文”查看论文

        ▌论文标题:

        High safety and cycling stability of ultrahigh energy lithium ion batteries

        ▌论文网址:

         链接(21)00299-X

        ▌DOI:

         链接

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