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實(shí)驗(yàn)室簡介
清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院新型能源與材料化學(xué)研究室始建于上個(gè)世紀(jì)九十年代初期，是清華大學(xué)鋰離子電池和燃料電池研究的主要單位。
鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多年的研究積累，建立起了比較完善的鋰離子電池及其材料研究的試驗(yàn)平臺。具有鋰離子電池關(guān)鍵材料以及電池設(shè)計(jì)與制備研究基礎(chǔ)，同時(shí)具有電極材料及電池制備工程化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，具備承擔(dān)國家高科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目以及其它科技開發(fā)項(xiàng)目的能力。
實(shí)驗(yàn)室目前是“汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)”成員。
實(shí)驗(yàn)室主任簡介
何向明，清華大學(xué)核研院新型能源與材料化學(xué)研究室主任，研究員/博士生導(dǎo)師，聚焦鋰離子電池及其關(guān)鍵材料研究及工程化近30年。重點(diǎn)圍繞鋰離子電池的電性能、一致性、安全性及可靠性等關(guān)鍵性能，以材料化學(xué)為核心，通過多學(xué)科協(xié)同的創(chuàng)新，解決關(guān)鍵材料、關(guān)鍵設(shè)計(jì)、制造技術(shù)及關(guān)鍵測試評估技術(shù)問題。
何向明課題組近期的研究重點(diǎn)是兼具高比能量高安全的電池研究，包括機(jī)理研究、材料計(jì)算與新材料研發(fā)、電池仿真與電池設(shè)計(jì)等。此外，還在MOFs/COFs多孔材料合成與應(yīng)用，多孔儲氫材料，高端光刻膠等領(lǐng)域開展研究。
實(shí)驗(yàn)室研究方向
（1）鋰離子電池正極材料合成、正極界面、電池電化學(xué)機(jī)理；
（2）鋰離子電池電解液、負(fù)極界面、電池機(jī)理、電化學(xué)、電池?zé)峄瘜W(xué)；
（3）高通量計(jì)算、第一性原理計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)、算法研究；
（4）鋰離子電池隔膜、鋰離子電池粘結(jié)劑；
（5）鋰離子電池測試及電池模型仿真、電池安全性研究；
（6）半導(dǎo)體光刻、光刻膠、電子束光刻、微納制造；
（7）儲氫材料、多孔材料、基于多孔材料的新能源應(yīng)用；
（8）燃料電池催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板、燃料電池電堆。
實(shí)驗(yàn)室還拓展了多孔材料（儲氫）、先進(jìn)功能膜科學(xué)和下一代半導(dǎo)體關(guān)鍵材料EUV光刻膠研究。
實(shí)驗(yàn)室最新科研成果
課題組通過均勻納米孔隔膜調(diào)節(jié)電解液溶劑化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對于鋰金屬負(fù)極鋰枝晶和副反應(yīng)的有效抑制。在鋰-鋰對稱電池和以NCM622為正極的高電壓鋰金屬電池中，經(jīng)過長時(shí)間循環(huán)后，不僅能做到完全無鋰枝晶生成，而且由于對副反應(yīng)的有效抑制，鋰金屬電極甚至仍能保持原有的金屬光澤。進(jìn)一步的微觀表征與理論計(jì)算表明，這種納米孔隔膜能夠通過多孔介質(zhì)的吸附輔助脫溶劑化作用，產(chǎn)生部分脫溶劑化的高能量物種，使其中的鋰離子更傾向于直接得電子發(fā)生還原沉積，繞過了溶劑還原的副反應(yīng)路徑。利用納米孔隔膜改變電解液以及界面行為，為推動(dòng)鋰金屬負(fù)極實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開辟了一個(gè)新方向。
隔膜是介于正負(fù)極之間的離子滲透膜和電子絕緣膜，對電池的電化學(xué)性能和安全性能起著至關(guān)重要的作用。然而，商用聚烯烴隔板不僅在高溫下不可避免地出現(xiàn)熱收縮，而且無法抑制O2等反應(yīng)性氣體中隱藏的化學(xué)串?dāng)_，導(dǎo)致經(jīng)常報(bào)道的熱失控（TR），從而阻礙了高能量密度鋰離子電池的大規(guī)模實(shí)施。
課題組和美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室合作，通過一種新的凝膠拉伸取向方法制備了一種消除TR的納米孔無收縮分離器（GS-PI）。加熱過程中的同步輻射小角X射線原位散射清楚地表明，所制備的薄GS-PI隔膜在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械公差，從而有效地防止了內(nèi)部短路。同時(shí)，獨(dú)特的納米孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步阻止了化學(xué)串?dāng)_和相關(guān)的放熱反應(yīng)。
加速量熱測試表明，使用GS-PI納米孔分離器制備的1Ah NCM622/石墨袋裝電池的最大溫升僅為3.7℃/s，而用Al2O3@PE大孔分離器制備的1Ah NCM622/石墨袋裝電池的最大溫升為131.6℃/s。此外，盡管孔徑減小，但GS-PI隔膜在高溫下表現(xiàn)出比傳統(tǒng)Al2O3@PE隔膜更好的循環(huán)穩(wěn)定性，而不犧牲比容量和倍率性能。
LTO尖晶石材料擁有僅次于石墨的第二大市場份額，由于其良好的循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能以及與常溫/低溫下電解質(zhì)的安全性，是一種很有前途的鋰離子電池負(fù)極材料。然而，一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如低容量和放氣問題，阻礙了LTO陽極的廣泛應(yīng)用。
最近的進(jìn)展表明，通過異相控制、表面工程或過鋰化等新策略可以進(jìn)一步提高LTO性能。為了開發(fā)先進(jìn)的LTO陽極，課題組在這篇綜述中，介紹了鈦酸鋰本征與其嵌/脫鋰的結(jié)構(gòu)特性，兩相機(jī)制與界面結(jié)構(gòu)，溫度對一階相變影響，鋰在兩相界面上的遷移，界面的動(dòng)態(tài)變化與表征，鋰脫出時(shí)的電子傳導(dǎo)與耦合，以及過度嵌鋰帶來的結(jié)構(gòu)不可逆轉(zhuǎn)變等。尤其是鈦酸鋰材料的熱穩(wěn)定性，期望對于相關(guān)領(lǐng)域的研究人員設(shè)計(jì)研發(fā)高性能的電極材料有所啟發(fā)。
鋰金屬負(fù)極被認(rèn)為是高能量密度電池負(fù)極材料的最終選擇。然而，在碳酸鹽電解質(zhì)中形成的以有機(jī)為主的SEI對金屬Li的界面能較低，且電阻率較高，導(dǎo)致鍍鋰/剝離CE低于99.0%，且Li枝晶生長嚴(yán)重。
何向明教授聯(lián)合馬里蘭大學(xué)王春生教授，首次報(bào)道了在商用碳酸鹽電解質(zhì)中引入FEC-SL/LiNO3復(fù)合添加劑，從而獲得了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和鋰金屬負(fù)極的高CE，其性能優(yōu)于不加添加劑的碳酸鹽電解質(zhì)和單獨(dú)添加FEC或LiNO3的碳酸鹽電解質(zhì)。值得注意的是，LiNO3是通過使用LiNO3/環(huán)丁砜（SL）濃溶液引入電解質(zhì)中，其中SL載體溶劑比碳酸鹽溶劑具有更高的LiNO3溶解度和更高的氧化穩(wěn)定性。
文章要點(diǎn)：
1）與1M LiPF6/EC-DMC（體積比為1：1）電解質(zhì)（簡稱BE）相比，在BE中加入FEC-SL/LiNO3添加劑（簡稱BE-FEC-SL/LiNO3）之后，鍍鋰/剝離的CE從84.4%提高到99.5%。
2）由于LiNO3和FEC的協(xié)同作用，在鋰金屬負(fù)極表面構(gòu)建了一種具有高鋰離子電導(dǎo)率的疏鋰LiF-Li3N增強(qiáng)型SEI，在降低Li成核過電位的同時(shí)抑制了Li枝晶的生長。
3）具有BE-FEC-SL/LiNO3電解質(zhì)的4.3V LiNi0.80Co0.15Al0.05O2/Li（50μm）全電池在150次循環(huán)后的容量保持率達(dá)到90.8%，平均CE為99.7%。
這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)具有最佳性能的基于商用碳酸鹽電解質(zhì)的高壓LMBs提供了一種簡單、經(jīng)濟(jì)的策略。
不同負(fù)極的容量和充電/放電曲線彼此非常不同，這歸因于不同的反應(yīng)機(jī)制--如插層、合金化還是轉(zhuǎn)化反應(yīng)。盡管鋰離子電池大廠制造商可根據(jù)負(fù)極材料一系列參數(shù)（包括真實(shí)密度、堆積密度、平均電位、前幾十個(gè)循環(huán)的庫侖效率（確定N/P比）、容量、電極的厚度和尺寸等）計(jì)算電池的重量與體積能量密度，這些設(shè)計(jì)與計(jì)算是面向工業(yè)的，不適合快速評估哪種新型負(fù)極更有研究前景。因此，急需簡化掉瑣碎的因素，發(fā)展一種直接有效地方法供學(xué)術(shù)界篩選出更值得研究、有實(shí)用前景的負(fù)極材料的判斷方法，以架起基礎(chǔ)材料研究和電池應(yīng)用之間的橋梁。
課題組用NCM622正極和多種主要負(fù)極材料來計(jì)算鋰離子電池基于活性材料的實(shí)際重量能量密度（GED）。從這一點(diǎn)出發(fā)，石墨負(fù)極被視為一個(gè)標(biāo)尺或一個(gè)GED指示器。計(jì)算表明，采用氧化物和硫化物負(fù)極的鋰離子電池幾乎不可能獲得比采用石墨負(fù)極的鋰離子電池更高的GED。此外，Si和P負(fù)極至少需要480和980mAh/g，才能確保鋰離子電池分別獲得更高的GED。研究展示了為什么一些負(fù)極的高理論能量密度不能轉(zhuǎn)化為實(shí)際GED，并澄清了各種電池體系的理論容量和實(shí)際GED之間的差距。
研究表明，硅碳負(fù)極的實(shí)用化克容量為600-800mAh/g。而大多數(shù)氧化物負(fù)極材料、石墨烯類負(fù)極材料等等均沒有實(shí)用化的競爭力。
此外，低平均脫鋰電位（ADP）對于高能負(fù)極是必不可少的，并且應(yīng)該作為鋰離子電池材料設(shè)計(jì)和電池開發(fā)的篩選標(biāo)準(zhǔn)。研究設(shè)計(jì)了一個(gè)對標(biāo)圖（見下圖），可用于判斷一種新型負(fù)極在重量能量密度（GED）方面是否可優(yōu)于石墨，或者確定其需要多少容量才能實(shí)現(xiàn)更高的GED，從而快速篩選出哪些負(fù)極材料值得進(jìn)一步研究。
實(shí)驗(yàn)室中試基地
江蘇華東鋰電技術(shù)研究院成立于2013年1月，由清華大學(xué)（核能與新能源技術(shù)研究院）和張家港市人民政府聯(lián)合共建，為清華大學(xué)核研院鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室中試基地。主要目標(biāo)是借助清華大學(xué)在鋰離子電池材料、先進(jìn)制備工藝以及高安全性動(dòng)力電池等方面取得的研究成果，建設(shè)國內(nèi)一流的鋰電特色產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地和高新技術(shù)成果孵化平臺。現(xiàn)任研究院院長為清華大學(xué)核研院鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室主任何向明。
研究院自成立以來，緊密圍繞著科技成果轉(zhuǎn)化主題，在平臺建設(shè)、技術(shù)研發(fā)、人才引進(jìn)、孵化企業(yè)等方面取得了顯著進(jìn)展。圍繞鋰離子電池關(guān)鍵材料、電池制備技術(shù)、電池安全性技術(shù)等前沿技術(shù)，購置了鋰離子電池及材料中試、測試及配套系統(tǒng)，搭建了自動(dòng)化鋰離子電池研發(fā)制備平臺，鋰離子電池材料研發(fā)、測試平臺、鋰離子電池?zé)岚踩珶崽匦詼y試平臺，上述平臺建立，不僅服務(wù)于本研究院的項(xiàng)目研發(fā)，同時(shí)為張家港及周邊地區(qū)鋰電相關(guān)企業(yè)提供支持。
資料來源：
清華大學(xué)鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)、江蘇華東鋰電技術(shù)研究院掛網(wǎng)、能源學(xué)人
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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