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yexuqing木虫之王 (文学泰斗)
太阳系系主任
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[交流]
高安全性高能量密度电池体系关键材料
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安全性和能量密度是阻碍电池行业发展的难题。电池主要由正极、负极和电解质组成，其整体的能量密度依赖于正负极，而安全性则取决于电解质。现有的电池体系中应用最广泛的是锂离子电池， 其本质上是一个锂离子在正负极之间来回脱嵌的摇椅式电池。早在 1990 年，日本索尼公司率先将锂离子电池商业化。电池的发展已改变人们的生活， 它是电子产品、电动汽车和智能电网的核心部分。 锂离子电池负极应用最广泛的是石墨、钛酸锂，电解质为碳酸酯类电解液，正极则是氧化物如磷酸铁锂、钴酸锂和镍钴锰酸锂。 电极的能量密度由电压和容量决定。高能量密度正极主要发展方向是高电压正极材料和高容量的硫正极材料，负极则主要向锂金属和硅负极方向发展。高电压的正极材料包括富锂锰基正极、镍锰酸锂、高电压钴酸锂，高容量的正极材料主要是硫正极。正极材料的成本占总成本的 40% 以上，但兼具高容量和高电压的理想正极材料仍待突破。近年来，学术界和工业界对金属锂与硅负极进行了广泛的研究，但在工业规模下金属锂的枝晶问题和硅负极的循环问题仍使其难以商业化，流行的折中做法是使用硅碳负极，通过添加一定比例的硅材料来提高负极的整体容量。 电解质的主流发展趋势是固态电解质。固态电解质不仅能够从本质上解决电池的安全性问题，而且可以适配高能量密度的正负极。固态电解质可以分为聚合物固态电解质、无机固态电解质和复合固态电解质。聚合物固态电解质加工性能好，易于薄膜化，具有宽的电化学窗口，但受限于较低的室温离子电导率和迁移数；无机固态电解质在离子电导率上已接近现有的液态电解液，但差的稳定性和高的界面阻抗严重阻碍了其应用；复合固态电解质结合了聚合物电解质和无机电解质的优点，若能够进一步改善电解质与电极材料之间的固固界面以及提高电极材料的负载量，则有望率先实现全固态电池产业技术的突破。 “高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中，核心论文数排名前三位的国家分别是中国、美国和德国，其篇均被引频次均超过 60（表 1.2.1）。其中，中国、美国的合作最多，其次是中国和澳大利亚（图 1.2.1）。核心论文数较多的机构有中国科学院、中南大学和华中科技大学等（表 1.2.2）。其中，中国科学院与清华大学的合作较多（图 1.2.2）。施引核心论文数排名前三位的国家分别是中国、美国和韩国（表 1.2.3）。施引核心论文的主要产出机构有中国科学院、郑州大学、中南大学等（表 1.2.4）。 电池行业的发展离不开材料的革新。正极材料将由高电压钴酸锂向低成本的高容量硫正极发展， 负极材料将由初始的硅碳负极向纯硅负极并最终向锂金属负极发展，电解质则由复合固态电解质向无机固态电解质发展，最终开发出的全固态高 表 1.2.1 “高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家 序号 国家 核心论文数 论文比例 /% 被引频次 篇均被引频次 平均出版年 1 中国 154 87.01 9 718 63.1 2019.6 2 美国 18 10.17 1 673 92.94 2019.3 3 德国 10 5.65 1 183 118.3 2019.3 4 澳大利亚 9 5.08 805 89.44 2019.7 5 加拿大 8 4.52 984 123 2019.4 6 新加坡 5 2.82 410 82 2019.6 7 韩国 5 2.82 152 30.4 2019.8 8 日本 5 2.82 63 12.6 2020.4 9 西班牙 2 1.13 676 338 2018.5 10 沙特阿拉伯 2 1.13 65 32.5 2021 图 1.2.1 “高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿主要国家间的合作网络 表 1.2.2 “高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构 序号 机构 核心论文数 论文比例 /% 被引频次 篇均被引频次 平均出版年 1 中国科学院 26 14.69 1 639 63.04 2019.1 2 中南大学 10 5.65 109 10.9 2020.9 3 华中科技大学 9 5.08 349 38.78 2019 4 北京理工大学 8 4.52 328 41 2019.8 5 清华大学 6 3.39 916 152.67 2019.5 6 香港理工大学 6 3.39 531 88.5 2019.3 7 武汉理工大学 6 3.39 460 76.67 2018.8 8 郑州大学 6 3.39 215 35.83 2020.7 9 复旦大学 5 2.82 2 759 551.8 2017.6 10 南开大学 5 2.82 618 123.6 2019.2 图 1.2.2 “高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿主要机构间的合作网络 表 1.2.3“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家 序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 /% 平均施引年 1 中国 6 177 63.87 2020.1 2 美国 866 8.95 2020.1 3 韩国 498 5.15 2020.3 4 印度 408 4.22 2020.2 5 澳大利亚 385 3.98 2020.1 6 德国 377 3.9 2020.3 7 日本 233 2.41 2020.1 8 新加坡 221 2.29 2020.1 9 英国 213 2.2 2020.3 10 加拿大 178 1.84 2020.1 表 1.2.4“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构 序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 /% 平均施引年 1 中国科学院 742 29.22 2020.2 2 郑州大学 244 9.61 2020.3 3 中南大学 241 9.49 2020.6 4 清华大学 204 8.03 2020.2 5 中国科学技术大学 191 7.52 2020.2 6 南开大学 184 7.25 2020.2 7 香港城市大学 161 6.34 2020.2 8 华中科技大学 161 6.34 2020 9 天津大学 150 5.91 2020.2 10 北京理工大学 135 5.32 2020.4 电压锂金属电池或锂硫电池有望应用于电子产品、电动汽车和储能电网中。“高安全性高能量密度电池体系关键材料”工程研究前沿的发展路线如图 1.2.3 所示。 |
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