张华民课题组提出新型预锂化策略用于提升锂离子电池在宽工作温区下的性能

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中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员张华民、李先锋、张洪章团队与中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室教授王青松团队合作，提出了一种利用锂化磷酸钒锂（Li5V2(PO4)3）实现“先予后取”的无添加剂自预锂化策略，并应用锂化磷酸钒锂和硬碳（HC）组成了具有高比能量、高比功率和宽工作温区的全电池。
　　改善低温性能是实现锂离子电池更广泛应用的关键之一，但是，目前商用锂离子电池所用的石墨负极在低温条件下的实际容量较低。硬碳具有良好低温储锂能力，可以有效改善电池的低温性能。然而在电池化成过程中，硬碳负极界面形成的固态电极/电解质界面（SEI）膜会不可逆地消耗Li+，从而降低电池的实际容量和比能量。预锂化是解决上述问题的常用策略，但实际生产中直接使用锂粉或锂箔补锂的方法工艺要求严苛、成本较高且安全性差，因此高效安全的预锂化技术仍有待研究。

　　该工作中，科研人员选用具有良好低温性能的锂化磷酸钒锂与硬碳负极组成全电池，巧妙地利用锂化磷酸钒锂在低电压区的容量补偿硬碳负极不可逆容量损失，有效提高了电池的比能量。所得全电池在室温下基于正负极活性物质的比能量可达到320Wh/kg，并且在-40°C的低温条件下充放电仍有80%容量保持率。原位表征和热量分析结果表明，锂化磷酸钒锂充放电过程中结构稳定、产热量低，具有良好的安全性。该预锂化方法为弥补负极首次不可逆容量损失提供了新策略，同时Li5V2(PO4)3||HC电池的设计，为低温锂离子电池提供了具有潜力的应用选择。
　　上述工作得到中科院洁净能源创新研究院合作项目、国家自然科学基金委项目、教育部能源材料化学协同创新中心（iChEM）项目、中科院青年促进会项目等资助。相关研究成果于近日发表在《纳米能源》（Nano Energy）上。

       磷酸钒锂具有单斜结构的Li3V2(PO4)3化合物，不仅具有良好的安全性，并且具有更高的Li+离子扩散系数，更高的放电电压(3.6 V，4.1 V )和能量密度( 2330 mWh / cm3 掺杂碳后 )，兼具了钴酸锂和磷酸铁锂的优点，克服了上述两者的缺点，这样，Li3V2(PO4)3被认为是比LiCoO2更好的正极材料。但是钒材料存在价格昂贵、前驱体提炼工艺难度大和能耗高的缺点，而且存在材料合成过程和电池被丢弃产生毒性和环境污染的可能性。研究的Li3V2(PO4)3合成工艺简单，便于工业化，且这种正极材料具有很好电化学性能，特别是具有极好的高倍率和低温放电性能。

       张华民，国际知名的燃料电池和液流电池专家。中科院大连化学物理研究所首席研究员，博士生导师。大连融科储能技术发展有限公司副总经理、总工程师，国家发改委能源局“国家能源液流储能电池技术重点实验室”主任，国家发改委“液流储能电池技术国家地方联合工程研究中心”主任。能源行业液流电池标准化技术标准委员会主任委员、IEC/TC21 JWG7国际标准项目负责人, 负责液流电池国际标准的制定。2010年被聘为科技部973项目“大规模液流电池储能技术的基础研究”首席科学家。2014年入选科技部创新人才推进计划“科技创新创业人才”。2016年，入选中组部“万人计划科技创业领军人才”。张华民发表学术论文380余篇。授权国家发明专利200余件，国际专利15件，主持制定燃料电池和液流电池标准10余项。研究成果荣获国家技术发明二等奖1项，中国科学院杰出科技成就奖1项，辽宁省企业重大成果奖1项，辽宁省技术发明一等奖2项，二等奖3项等奖项。

       李先锋，男，1979年7月生于山东沂水，中国科学院大连化学物理研究所，研究员，博士生导师。中组部“万人计划”青年拔尖人才，中科院卓越青年科学家获得者，辽宁省百千万人才工程“百层次”人才。大连化学物理研究所储能技术研究部部长，电池材料与关键技术研究组长。长期从事大规模电化学储能技术的研究开发工作。成果荣获包括“2015年国家技术发明二等奖”（排名3），中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者，排名2）、 “辽宁省技术发明二等奖”（排名第2）等科技奖励。获 “中国科学院卢嘉锡青年人才奖”，“第三届“中科院沈阳分院优秀青年科技人才奖”，“辽宁省青年科技奖”，等奖励。入选中组部青年拔尖人才计划，中国科学院卓越青年科学家项目、大连市杰出青年科技人才等。为首届中科院青年创新促进会会员，中国膜工业协会电驱动膜专业委员会委员，中国材料研究学会青年工作委员会理事。迄今为止共发表SCI论文100余篇，其中Energy & Environmental Science 6篇，Angew. Chem. Int. Ed 1篇， Advanced Functional Materials 2篇，Nano energy 1篇。迄今为止，论文他引次数2500余次， H 因子30。2015年开始担任“Scientific Reports”杂志编委。申报发明专利100余项，国际专利6项。授权20余项。作为负责人主持国家科技部973计划课题、国家自然科学基金，中组部青年拔尖人才计划项目、中科院重要方向性项目等多项项目与课题。
       张洪章，博士，副研究员，硕士生导师。高比能量电池技术研究学者。汉族，1986年4月生于山东滨州。2008年7月毕业于山东大学化工系。2008年9月，在中国科学院大学大连化学物理研究所攻读工学博士学位。2013年破格入选大连化学物理研究所百人计划，现任中国科学院大连化学物理研究所副研究员、高性能储能电池关键材料研究组组长。先后从事新体系液流电池、液流电池膜材料、锂硫电池技术、锂离子电池技术、超级电容器技术、铅碳电池技术等研究。共发表研究论文30余篇，包括第一作者Energy&Environmental Science 3篇，通讯作者Advanced Function Materials 1篇，申报发明专利60余项。主持国家自然科学基金两项，参与编写英文书籍2部、中文书籍1部。获得省部级科技发明二等奖3项。