电镀锂离子电池正极材料

庄 林



电镀锂离子电池正极材料

庄 林

(武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072)

LiCoO2和LiMn2O4是常用的商业锂离子电池正极材料1，这类材料由高温烧结工艺制备，然后与导电剂、粘接剂配成浆料，涂膜制成极片，最后与负极极片装配成电池2。这类制备化学经过了半个世纪的发展，在商业上取得了巨大的成功，已经形成了目前锂离子电池正极材料生产的标准工艺。然而，传统工艺无法满足未来新型应用需求。例如，任意形状电池、微型电池、柔性电池所需的可弯折可折叠性能、高比能所需的高负载量、高倍率电池亟需的三维电子和离子通路设计等等3–6，都需要制备工艺能够在原位或者表面共形生长锂离子电池正极材料。正极材料需要高温才能获得稳定相结构，难以实现表面原位共形生长5。

最近，南京大学张会刚教授课题组与伊利诺伊大学香槟分校Paul Braun课题组合作，研究成功一种新型电镀化学工艺，该方法将低价过渡族金属如Co2+、Mn2+等溶解于200–300 °C熔盐，通过电化学氧化的方式成功制备了O3相的LiCoO2和尖晶石相的LiMn2O4，由于电镀工艺自身的优势，这种方法能够在衬底或者模板上原位形成锂电正极材料。相关成果发表在上7。作者利用新技术展示了厚膜固态正极、超高负载量正极和超柔性正极三个应用实例，其中超高负载量正极可以实现20 mAh∙cm−2的容量，超柔性电池能够从0°–180°弯折10000次，仍然有36%的容量保持。

为了进一步研究熔盐电镀的机理，作者系统地考察了熔盐体系的优势区相图，通过第一性原理计算结合传统热力学数据，修补和校正了所需物相的吉布斯自由能数据，在LiOH-KOH组成的熔盐体系，研究了酸碱度对电镀过程不同氧化还原反应的电极电位影响规律，这项研究成果提供了一条颠覆传统标准工艺的新型锂电正极材料制备化学工艺，从理论上解释了材料生长机理，并且利用新方法制备和展示了高负载和超高柔性电池，为高性能锂离子电池制备技术提供了全新的方法。

(1) Tarascon, J. M.; Armand, M.2001,, 359. doi: 10.1038/35104644

(2) Singh, M.; Kaiser, J.; Hahn, H.2015,, A1196. doi: 10.1149/2.0401507jes

(3) Arthur, T. S.; Bates, D. J.; Cirigliano, N.; Johnson, D. C.; Malati, P.; Mosby, J. M.; Perre, E.; Rawls, M. T.; Prieto, A. L.; Dunn, B.. 2011,, 523. doi: 10.1557/mrs.2011.156

(4) Hu, Y.; Sun, X.2014,, 10712. doi: 10.1039/c4ta00716f

(5) Zhou, G.; Li, F.; Cheng, H. M.2014,, 1307. doi: 10.1039/c3ee43182g

(6) Nishide, H.; Oyaizu, K.2008,, 737. doi: 10.1126/science.1151831

(7) Zhang, H.; Ning, H.; Busbee, J.; Shen, Z.; Kiggins, C.; Huang, Y.; Eaves, J.; Davis, J.; Shi, T.; Shao, Y. T.; Zuo, J. M.; Hong, X.; Chen, Y.; Wang, S.; Wang, P.; Sun, P.; Xu, S.; Liu, J.; Braun, P. V.2017,, e1602427. doi: 10.1126/sciadv.1602427

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ZHUANG Lin

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10.3866/PKU.WHXB201705224