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Li3V2(PO4)3 正极实现锂离子电池在4.8 V截止电压下的极快速充电
北京理工大学
导读
本文作者开发出一种以Li3V2(PO4)3作为正极的超快速充电（XFC）锂离子电池（LIBs）用于解决电动汽车的续航里程和充电问题。与传统的看法相反，该材料在截止电压(以下称为CoV)为4.8 V时的速率性能和循环能力优于其在4.2V CoV时的性能。该材料还拥有超过LiFePO4的能量密度以及媲美超级电容器的功率密度。此外，使用用第一性原理密度泛函理论计算以及经验主义的特征，确定了Li3V2(PO4)3中第三个Li+的反应机制和扩散路径。利用微分容量曲线法阐明了Li3V2(PO4)3在高CoV时的缓慢容量衰减机制。
背景简介
1. 极快速充电发技术(XFC)的未来目标
根据美国能源部的目标，极快充电(XFC)已被确定为未来电动汽车的一个关键挑战预计。到2023年，XFC站将可以在15分钟内将高能密度电池(>200 Wh kg−1) 充电80%，为了突破XFC的技术瓶颈，必须使用高能量密度和高功率密度的新材料。
2. 影响XFC系统的三个主要因素
(3)三是阴极材料的结构稳定性。用于XFC的阴极材料需要一个健壮的结构来实现快速的电化学反应。聚阴离子材料因其高电压和结构稳定性而受到广泛关注。
与LiFePO4相比，单斜型Li3V2(PO4)3具有更高的平均电位，更大的锂离子扩散系数(~10-9 -10-10 cm2 s-1)，以及更高的理论能量密度。众所周知，如果1mol的电极通过特定的电化学反应传递超过1mol的电子，就可以被定义为一种多电子材料，这种材料具有产生高能密度电池系统的潜力。Li3V2(PO4)3的多电子反应潜力及其不含钴的特性使其成为实际应用的合适的阴极材料。此外，Li3V2(PO4)3存在的一个主要问题是钒盐的毒性。但幸运的是，钒的可回收性和可持续性很好地缓解了这种担忧。
图1. 图片概要
文章介绍
通过密度泛函理论(DFT)计算并利用同步辐射x射线衍射、非原位XPS、高分辨率透射电镜(HRTEM)等深入的实验分析，进一步证实了LiV2(PO4)3中第三个Li+迁移的结构相演化过程以及能量势垒。
图一.在0.1 mV s−1的扫描速率下，不同CoV的条件下，Li3V2(PO4)3的CV曲线
(a) 3.0−4.3 and (b) 3.0−4.8 V. GCD profiles at various current rates: (c) 3.0−4.3 and (d) 3.0−4.8 V. (e) Rate performance of Li3V2(PO4)3 electrodes at different CoVs. (f) Cycling performance of Li3V2(PO4)3 electrodes at a current rate of 1 C (1 C = 133 mA g−1 , corresponding to a two-electron transfer).
文章链接:
An Extremely Fast Charging Li3V2(PO4)3 Cathode at a 4.8 V Cutoff Voltage for Li-Ion Batteries
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00702
导师简介:
吴川，博士，教授
研究方向：1、高能量密度的二次电池新体系研究；2、多电子电极材料的合成、结构与电化学表征；3、氢能与燃料电池相关催化剂研究。
社会兼职国际电化学学会会员、国际固态离子学会会员、全国燃料电池标准化技术委员会委员、中国硅酸盐学会会员、中国科技论文在线特聘专家，ChemistryofMaterials，Electrochemistrycommunications，AppliedCatalystB-Environment，FuelCell，ElectrochimicaActa，InternationalJournalofHydrogenEnergy，PhysicalChemistryChemicalPhysics，CatalysisToday，MaterialsLetters，JournalofFuelCellScienceandTechnology，EnergyandFuel，FuelProcessingTechnology，JournalofNewMaterialsforElectrochemicalSystems，ChemicalEngineeringCommunications，InternationalJournalofEnergyResearch，SolidStateIonics等二十余种国际期刊的审稿人。
个人概况:2011年7月至今，北京理工大学化工与环境学院，教授，博士研究生导师；2004年4月-2011年6月，北京理工大学化工与环境学院，副教授，硕士研究生导师；2002年4月-2004年4月，中科院大连化学物理研究所燃料电池工程中心，博士后，副研究员；1997年9月-2002年3月，北京理工大学化工与材料学院，博士研究生；1993年9月-1997年8月，北京理工大学化工与材料学院，本科生长期从事先进能源材料的研究工作，尤其近年来在新型多电子电极材料、高效制氢催化剂等方面开展了大量深入的研究。近年来发表SCI和EI收录论文70余篇，被SCI引用超过400次，其中有2篇论文的单篇引用近百次；申请国家发明专利16项，已获得发明专利授权8项；从2004年在北京理工大学任职至今承担了多项科研项目，其中作为负责人主持了国家973课题、国家自然基金等项目；2009年入选北京市科技新星，2008年作为主要完成人获得1项中国有色金属工业协会科学技术一等奖，2007年入选北京市优秀人才培养计划，2006年入选北京理工大学优秀青年教师资助计划。
白莹，博士，副教授
研究方向:主要研究方向为洁净能源与功能材料，包括绿色二次电池关键材料、新型储能材料、轻质储氢材料等。
社会兼职国家自然基金评审专家，国际期刊Int.J.HydrogenEnergy、FuelCells、FuelProcessingTechnology的审稿人。
个人概况：2009年至今，北京理工大学，化工与环境学院，副教授；2003年-2009年，北京理工大学，化工与环境学院，讲师；2000年-2003年，北京理工大学，化工与环境学院，研究生/博士；1997年-2000年，东北大学，化学系，研究生/硕士；1993年-1997年，哈尔滨工业大学，应用化学系，本科/学士；2009-2011年作为负责人主持了国家自然基金项目“燃料电池轻质可逆储氢体系的研究”，2008-2010年作为北京理工大学的负责人承担了国家863项目“锂离子动力电池系统产业化研究”中新型锂离子动力蓄电池的研究，2006-2008年主持了北京理工大学基础研究基金项目“熔融盐法合成锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的研究”。作为主要学术骨干参与了2项国家973计划项目，即“绿色二次电池新体系相关基础研究”和“新型二次电池及相关能源材料的基础研究”，参与了国家自然科学基金纳米重大专项“氧化物纳米材料的制备、微结构与电化学嵌锂行为”、国家自然科学基金面上项目“锂离子电池用离子液体型全固态聚合物电解质研究”等项目。参编《绿色二次电池新体系与研究方法》一书，撰写了聚合物电解质部分2万字。近年来发表SCI和EI收录论文50余篇，其中作为第一作者在Electrochem.Commun.，Int.J.HydrogenEnergy，Electrochim.Acta等国际期刊发表多篇论文；申请发明专利15项，已获得6项授权。
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