CRPS王朝阳院士团队实现高比能电池的高

CRPS：王朝阳院士团队实现高比能电池的高安全和长寿命丨CellPress论文速递原创CellPressCellPress细胞科学收录于话题#CellPress论文速递个内容#CRPS27个内容

物质科学

Physicalscience

近日，宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士团队在CellPress细胞出版社期刊CellReportsPhysicalScience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（Wh/kg），同时具有极高安全性和高温稳定性（safe，energy-densebattery，SEB）。

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(triallylphosphate,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（Wh/kg），同时具有极高安全性和高温稳定性（safe，energy-densebattery，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mΩ，短路电流只有1.52C，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。

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）。

图2.温度对功率的影响

SEB-3电池（TAP:1.5%）在60oC循环次，容量衰减20%。而相同温度下，常规电池仅循环容量就衰减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循环次，电池厚度增加16.9，而SEB-3电池循环次，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）。

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（%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）。

图4.电池%SOC的储存寿命

虽然高镍三元（NCM）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。

图5.SEB电池与常规电池，磷酸铁锂电池的比较