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中德科学家合作研发新型阳极材料 制成高性能且安全的锂离子电池

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58京牌 ,德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)和中国长春吉林大学的研究人员研发了一种非常有发展前景的阳极材料——具有钙钛矿晶体结构的钛酸镧锂(LLTO),可制成高性能电池。该团队表示,LLTO可以提高电池的能量密度、功率密度、充电速率、安全性以及循环寿命,而且无需让材料颗粒的大小从微米降至纳米。

(图片来源:卡尔斯鲁厄理工学院)

人们对的需求在不断增长,伴随而来的是为确保能源的可持续供应,对智能电网需求的增加。而移动和静止的储能技术都需要合适的电池,锂离子电池(LIB)就是能在尽可能轻且小的空间中存储尽可能多能量的储能设备。该项研究的目的旨在提升此类电池的能量密度、功率密度、安全性以及循环寿命。为实现此类结果,电极材料就非常重要。锂离子电池的阳极通常由一个集电极和一种以化学键形式存储能量的活性材料组成,在大多数情况下,石墨就被用作活性材料。不过,由石墨制成的阳极导致电池的充电速率很低,还会产生安全问题。而钛酸锂氧化物(LTO)作为替代性活性材料,已经实现了商业化,具备LTO的阳极充电速率更高,且比石墨阳极更安全,缺点在于含有氧化钛酸锂的锂离子电池的能量密度较低。

因此,该研究小组研发了另一种极有发展前景的阳极材料——具有钙钛矿晶体结构的钛酸镧锂。据该项研究所显示,与商业化的LTO阳极相比,LLTO阳极的电极电位更低,可让电池拥有更高的电压和容量,而电池的电压和存储容量最终可以决定电池的能量密度。未来,LLTO阳极可能可以被用于打造具有长循环寿命的安全高性能电池。

除了能量密度、功率密度、安全性和循环寿命,电池充电速率也是决定电池是否适用于苛刻应用的重要因素。从原则上看,最大放电电流和最小充电时间取决于电池固体内部以及电极和电解质材料之间界面处的离子和电子运输情况。为了提升充电速率,通常的做法是将电极材料的粒径从微米减小到纳米。但在该项研究中,研究人员发现,与LTO纳米颗粒相比,尺寸为几微米的钙钛矿结构LLTO也具有更高的功率密度以及充电速率。该团队认为这要归功于LLTO的赝电容特性:不仅是单个电子可以附着在此种阳极材料上,还有被弱力束缚的带电离子也可以附着其上,并可以反过来将电荷转移到阳极上。研究人员解释说:“由于颗粒较大,LLTO还可以让电极制造更简单、更经济。”

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