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新材料学院在全固态锂电池领域取得重要进展
日期:2015-07-22 09:53:23   来源:新材料学院   点击:
 锂离子电子自1991年投入市场以来一直备受瞩目,在3C领域(通讯领域、计算机领域、消费电子产品)应用广泛。然而,其有限的能量密度、功率密度以及安全隐患等亟待解决的问题限制了锂离子电池的发展。易燃易爆的有机电解液是引起锂离子电池安全问题的关键因素,不少安全事故是由于锂离子电池电解液起火造成的,如波音787飞机安全事故,动力汽车起火事件。因此,替换现有的商业化电解液,采用固体电解质的全固态电池是解决锂离子电池安全问题的根本途径。
 2014级硕士研究生谭瑞同学在潘锋教授的指导下,与学院的博士后、同学与工程师开展交叉学科、协同创新的合作研发,开展新型全固态电池的设计及相关材料的合成,并且积极与实验经验丰富的研究生和博士后合作,首次将高容量硅酸亚铁锂(Li2FeSiO4)正极材料,其容量(250mAh/g)大大地超过了我们常用的钴酸锂和3元材料容量(150mAh/g)正极材料,应用于聚氧乙烯基全固体电池。该电池在100℃具有优越的倍率性能(30 C容量有67.5mAh/g)以及较高的比容量发挥(1C容量有258.2 mAh/g),有望作为电动汽车动力电池在较高温下得到广泛应用。该工作以通讯的形式发表在纳米材料与新能源领域的国际顶级杂志 Nano Energy (SCI 影响因子10.3)杂志上。
 
 图1 在该研究工作中,第一次组装了基于硅酸亚铁锂(Li2FeSiO4)的全固态电池。该电池在1C条件下,具有高的比容量258.2 mAh g−1,并且在30C的大电流条件下,也有67.5 mAh g-1的容量体现。高的容量体现和优越的倍率性能,是由于硅酸亚铁锂的锂离子扩散率和电子导电率从300K升为至373K提高了近4个数量级。
 
 图2(a)基于碳包覆的硅酸亚铁锂和有机聚合物电解质(PEO-Al2O3-LiTFSI)的工作示意图。(b)电池未经过电化学活化和高温处理时的正极-电解质截面元素能谱图。(c)电池经过电化学活化和高温处理时的正极-电解质截面元素能谱图。(蓝色代表硫元素,黄色代表硅元素)(d)聚氧乙烯链和锂盐(LiTFSI)包裹硅酸亚铁锂的单颗粒示意图。
 谭瑞同学与博士后杨金龙和郑家新(3位都是文章共同第一作者)合作,在学院其他同学和工程师的支持下,在研究生第一年就完成了该工作,这是北大新材料学院2014级研究生以第一作者发表的首篇学术论文,也是硕士研究生首篇发表在国际一区杂志上,这是对北大新材料学院所有学生一个很好的一个激励。 
 目前新材料学院研究生们正在努力,通力合作,陆续将更加优秀的研究成果形成原创的专利,并投到高影响力的科学杂志上。同时,学院的全体师生正在积极响应北京大学创建世界一流大学的号召,共同努力把新型的新材料学院建设成国际一流的材料科学与工程学院。
 链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285515002700
 Rui Tan1,†, Jinlong Yang1,†, Jiaxin Zheng1,†, Kai Wang , Lingpiao Lin , Shunping Ji , Jun Liu , and Feng Pan*,“Fast Rechargeable All-Solid-State Lithium Ion Batteries with High Capacity Based on Nano-sized Li2FeSiO4 Cathode by Tuning Temperature” Nano Energy 2015

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