实验室简介

        原为物理所四室的研究组,1979年前从事非线性光学晶体生长研究。从1979年开始研究方向改为快离子导体, 成为物理所的第十五室。主要研究晶态快离子导体如锗酸锌锂和硅钒酸锂。其后改称为固体离子学实验室,并沿用至今。研究内容逐渐扩展,除晶态材料外,还研究非晶态和聚合物,体材料和薄膜材料,氧化物和硫化物。除对氧离子导体有少量研究外,主要对象是锂离子导体和锂离子/电子混合导体。应用目标是锂二次电池、微型电池、固体氧化物燃料电池、传感器和电致变色器件。主持并承担中科院《六五》、《七五》和《八五》重点课题以及主持并承担《七五》国家863高技术储能材料专题(锂二次电池及相关材料,主要研究混合相聚合物电解质和钒氧化物正极材料以及在聚合物锂电池中的应用。 

高能量密度锂电池新策略:全电化学活性全固态锂电池

  高能量密度是储能器件未来的重要发展方向,锂离子电池作为一类性能优异的储能器件在过去的几十年中大放异彩。然而,目前传统锂离子电池正极材料的能量密度已经逼近理论值,如何进一步提升能量密度成为了全世界范围关注的研究热点。

  全固态金属锂电池作为下一代高能量密度主流技术方案受到研究人员广泛关注。理论上电池器件的能量密度在材料层面由其理论能量密度决定,但是在电极层面由于需要引入大量非活性成分(电解质,导电添加剂和粘合剂)用于保障电极材料离子和电子输运能力从而使得电极材料层面的能量密度通常小于材料理论能量密度,在全固态电极中二者差距进一步扩大。因此如何在电极层面上充分发挥材料的理论能量密度被视为一个重要的研究方向。

高功率密度锂/氟化石墨一次电池研究进展

  锂/氟化石墨一次电池是目前能量密度最高的一次电池,在电子产品、医疗器械、国防军工等领域具有广泛的应用。锂/氟化石墨一次电池的能量密度与正极氟化石墨材料的氟化程度密切相关,氟化程度越高,电池的能量密度越大。但是,氟化程度的增加会导致氟化石墨正极材料电子导电性能变差。与此同时,电池放电产物氟化锂容易沉积在氟化石墨颗粒端面,阻碍了锂离子进一步向正极材料内部扩散和放电反应的进一步进行。因此,尽管锂/氟化石墨一次电池具有极高的理论质量能量密度,其倍率性能不佳,严重限制了其在高功率器件中的应用。通常研究人员利用导电层包覆、材料纳米化、降低氟化程度等手段对氟化石墨正极材料进行改性,以提升锂/氟化石墨一次电池的功率特性。但是这些对正极材料进行改性的方法不仅较为繁琐,且一定程度上牺牲了电池的能量密度。因此,开发工艺更为简单、不影响能量密度且能够有效提升锂/氟化石墨一次电池功率特性的方法是十分必要的。

高能量密度无负极锂金属电池研究进展

  目前,基于锂离子插层化学的传统锂离子电池已经无法满足各种新兴领域对锂电池能量密度的需求。因此以高能量密度著称的锂金属电池作为最具潜力的电池体系再次引起了研究人员的广泛关注。在所有锂金属电池中无负极锂金属电池(AF-LMB)可以将全电池能量密度推向极致,超过450 Whkg-1,被视为高能量密度锂金属电池的终极选择。然而,相比含有负极材料的锂电池,无负极锂金属电池失去了负极宿主材料的保护或来自负极侧的锂补偿,在循环过程中任何不可逆的活性锂损失都会直接体现在电池容量的损失上,导致电池较低的容量保持率。因此,如何在保持高能量密度的同时提升循环寿命是目前无负极锂金属电池面临的最大挑战。

高导电电极材料新进展:导电无机正极材料助力高能量密度有机电池

  人类社会高速发展对能源储能技术不断提出更高要求,锂离子电池作为一类优异的储能器件尽管这些年来取得巨大进步,但是面向未来电动交通工具全面电动化和大规模储能需求仍然面临巨大挑战,其中如何开发高能量密度下一代锂电池成为了目前全世界范围关注的研究热点。

钠离子电池层状氧化物研究取得重要进展

  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心赵成龙博士、陆雅翔副研究员、胡勇胜研究员团队与荷兰代尔夫特理工大学Prof. Marnix Wagemaker及法国波尔多大学Prof. Claude Delmas等提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法,并在实验上证实了该方法的有效性,为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计制备提供了理论指导。相关成果以“钠离子电池层状氧化物材料的合理设计(Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries)”为题,于2020年11月6日在线发表在《科学》(Science)杂志上。论文链接:https://science.sciencemag.org/content/370/6517/708

低盐浓度电解液再降钠离子电池成本

高电压钴酸锂锂离子电池正极材料研究进展

  钴酸锂(LiCoO2)是最早商业化的锂离子电池正极材料。由于其具有很高的材料密度和电极压实密度,使用钴酸锂正极的锂离子电池具有最高的体积能量密度,因此钴酸锂是消费电子用锂离子电池中应用最广泛的正极材料。随着消费电子产品对锂离子电池续航时间的要求不断提高,迫切需要进一步提升电池体积能量密度。提高钴酸锂电池的充电电压可以提高电池的体积能量密度,因此开发下一代更高电压的钴酸锂材料已经成为科研界及企业共同关注的热点。目前,钴酸锂电池充电截止电压已经从1991年最早商业化时的4.20V逐渐提升至4.45V (vs Li/Li+),体积能量密度已经超过700Wh/L。然而随着充电电压的提高,钴酸锂材料会逐渐出现不可逆结构相变、表界面稳定性下降、安全性能下降等问题,限制了其实际应用。

Water-in-salt电解液“界面限域”抑制电极材料溶解机制

  在传统液态二次电池中,很多电极材料如过渡金属锰氧化物、硫电极、有机电极等在液体电解液中存在严重溶解现象,从而造成电极材料活性物质损失,容量衰减和寿命短等问题。近些年来,高盐浓度Solvent-in-Salt 【Nature Communications, 4, 2013】和Water-in-salt 【Science,350, 938, 2015】电解液的提出为拓宽电化学窗口,降低电极材料溶解,调节电极循环稳定性提供了一条很好的研究思路,尽管高盐浓度电解液对电极材料溶解的抑制作用已经得到了广泛印证,但到目前为止高盐浓度电解液抑制电极材料溶解微观机理仍然不够清楚。

高钠含量P2层状氧化物正极材料研究取得新进展

  层状金属氧化物(NaxTMO2, TM=过渡金属)不同的组成带来的复杂结构化学对层状堆积结构、钠离子电导率以及氧化还原活性起到决定性作用,为功能性材料的研究开辟了新途径。NaxTMO2主要包括O3和P2两种结构,其中P2结构因为开放的三棱柱扩散通道而具有更快的Na+扩散速率。但是P2型结构初始充电容量较低(<80 mAh g-1),平均电压小于3.2 V,在充电到更高电压时会经历P2到O2或OP4/’Z’的相变而导致循环稳定性下降。

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