当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › 锂电池研发需要创新支持?请看这里

锂电池研发需要创新支持?请看这里

1

默克清洁能源解决方案强势来袭

锂电池

1.png

即用型电池等级材料

电极片

电解质溶液

电极材料

含水量极低的电池级电解质材料

燃料电池

2.png

固体氧化物燃料电池

电极和电解质材料

燃料电池催化剂

质子交换膜燃料电池

膜、储氢材料

太阳能电池

3.png

太阳能材料(钙钛矿)

量子点

储氢

4.png

复杂金属氢化物

金属有机框架 (MOF)

储氢合金

默克清洁能源电池解决方案覆盖锂电池、燃料电池、太阳能电池以及储氢材料。在锂电池的研究工作中,我们会提供高质量的电池级别的电极材料、电解质材料。在燃料电池的研究工作中我们会向客户提供固态氧化物燃料电池所需的电极、电解质、催化剂等材料,以及质子交换膜燃料电池所需的膜等材料。在太阳能电池的研究工作中我们会向客户提供量子点、钙钛矿太阳能电池研发所需的材料。在储氢方向,我们会向客户提供复杂金属氢化物、储氢合金等材料。


 2


锂电池材料新品上线! 



默克目前的研发工作主要致力于电池材料研究和应用市场两大领域。近期我们为我们的科研用户推出了以下适用于锂电池研发创新性产品:包括4款快速充放电的石墨烯复合材料、高容量硅复合材料、4款即用型试剂、6款性能增强试剂


5.png


2.1

化学抛光试剂

对于我们的性能增强试剂,我们有一种化学抛光试剂,可以使锂金属表面光滑并去除天然表面杂质。用这种溶液处理过的锂金属已被证明可以提高锂电池的循环寿命和性能。使用该试剂来处理锂箔,无需刮擦,即可提供干净的锂表面,可以提高半电池的质量和有效的测试时间。


2.2

快速充放电的石墨烯复合材料

聚蒽醌硫醚(PAQS)是一种用于新一代储能器件的新型有机材料。PAQS-石墨烯纳米复合材料利用石墨烯优异的导电性和高比表面积,解决了PAQS的电子绝缘问题,并且进一步提高了其在储能应用中的利用率。由于PAQS比无机材料具有更快的氧化还原动力学、高安全性、灵活性和易加工性,PAQS 可以成为可充电电池和超级电容器应用的潜在高功率电极材料。 

2.2.1

项目概述

通过与威斯康星大学密尔沃基分校的合作,我们的研发科学家开发了用于锂离子电池的快速充电石墨烯纳米复合材料(如下表所示)。聚合物/石墨烯复合材料的可行性已在具有液体电解质的传统电池和新兴的全固态电池中得到验证。 


项目大纲

用于锂离子电池的快速充电石墨烯纳米复合材料 :

Reduced graphene oxide enhanced PAQS composite for battery (921351)

Reduced graphene oxide enhanced PMDA composite for battery (921378)

Reduced graphene oxide enhanced NTCDA composite for battery (921386)


2.2.2

合成策略及产品特性

我们的合成策略在石墨烯上产生了一层均匀的聚合物电池材料涂层,该涂层具有多孔结构和高表面积,这些特征可以在以下 SEM 图像中看到。而我们也可以看到由该复合材料具有高充电效率,可调电压、无毒、可量产的特点。

快速充电石墨烯聚合物纳米复合材料

3-6分钟充电率 

不含有毒金属

可调电压

出色的产量


6.png

Poly(anthraquinonyl sulfide) (PAQS)/graphene


7.png

Pyromellitic dianhydride (PMDA)/graphene


3

可穿戴电子产品——

电池相关的重点领域


目前,随着可穿戴电子产品市场的兴起,对电池的研发也提出了新的挑战。可穿戴电子产品需要开发出下一代的柔性电池,以满足机械性能、能量密度、循环寿命、安全性等新的市场需求。默克材料科学根据客户需求,试图通过自身的电池材料的研发,以满足客户高重复性、良好的性能测试通过率,与现有制备方法兼容等需求。我们将通过改进电池设计当中阴极材料、电解质、隔膜材料已提高柔性电池的性能表现.


3.1

电池阴极-少层石墨烯墨水的应用


首先默克提供石墨烯增强复合材料作为电池的阴极,以增加电池电导率、提高充电率、提高循环寿命。


我们通过与西北大学Mark Hersam教授合作证明,将含有少层石墨烯墨水的乙基纤维素可与活性正极材料组合使用,从而以提高电池性能。


793663 是一种纳米锂锰氧化物 /石墨烯复合阴极。石墨烯墨水实现了更好的填充密度,这有助于提高电池循环(充电和放电)时的稳定性,从而提高电池的使用寿命。这是因为添加了石墨烯,石墨烯作为一种导电添加剂,与普通的锂锰氧化物相比较,有助于更快的反应动力学。

8.png

Sigma-Aldrich®

产品货号: 793663

乙基纤维素(同时悬浮少层石墨烯)和电池活性材料(例如 LMO锂锰氧化物)

在少层石墨烯存在下,退火将乙基纤维素转化为 sp2 碳 Nano Letters, 17, 2539 (2017)


9.png

当少层石墨烯墨水与纳米尺寸的锂锰氧化物混合时,退火电极可以成功地抑制锰溶解到电解质中,并显着提高半电池和全电池配置中电池性能的稳定性/可循环性,可以参照下方图1。这主要是由于高质量的少层石墨烯和分解的乙基纤维素在复合电极内形成互连的 SP2 碳网络的协同效应。与纯纳米锂锰氧化物的对照相比,这种相互连接的导电通路还降低了电池阻抗,并使电池能够以更高的速率保持更高的容量,可以参照下方图2。此外,如下方图3,与使用纯纳米锰酸锂电极的对照相比,这种复合电极还大大改善了锂离子电池的低温性能。

10-11.png

图1


12.png

图2


13.png

图3

Sigma-Aldrich®产品货号: 793663

抑制锰溶解到电解质中,提高半电池和全电池测试的稳定性 

实现(更低的阻抗,循环后的最小 SEI)更高的速率性能 

实现低温性能 Nano Letters, 17, 2539 (2017).


3.2

电池阴极隔膜 & 电解液


除了创新的阴极材料,Merck也为固态电池提供创新的材料解决方案.

14.png

相比较传统电池,固态电池具有更高的热稳定性、更简单的架构、更容易组装、更加安全的优点。但是固态电池也面临着离子传导性差、与电极的不良界面、充电速度慢等问题.

对于下一代锂离子电池,迫切需要开发出操作更安全、组装更容易、热稳定性和化学稳定性更好的全固态电池。该研究领域的关键挑战是开发高性能的固体电解质材料(主要问题是低离子电导率和高界面电阻以及材料的可加工性)。

以下列出了已探索的固体电解质材料及其离子电导率以及优缺点:无机结晶态的材料有较高的离子电导率、但界面电阻相对较高,无机玻璃态的材料则通过溅射、CVD、ALD等方式易于制造,但成本相对较高,粒子电导率低,有机材料则可以通过溶液合成,工艺简单,但离子电导率较低。


--.png


3.2.1

 用于高温锂离子电池隔膜的

二维纳米材料


通过与 Mark Hersam 教授的技术平台的合作。我们开发、制造出具有可调粘度的剥离六方氮化硼墨水(简称hbn),可以用于不同的涂层技术,例如低粘度喷墨印刷、高粘度直接墨水书写或刮刀涂层。

15.png

Advanced Functional Materials, 29, 1902245 (2019).

MilliporeSigma已上线新品: 产品目录# 901410 (喷墨), 901349 (刮刀可涂)


使用可刮涂的 hBN/乙基纤维素墨水和“PVDF 粘合剂”,我们能够制造出可用作锂离子电池隔膜的多孔 hBN 薄膜。与常用的锂离子电池隔膜相比,hBN/EC薄膜不仅可以承受更高的工作温度,而且对大多数电解质的润湿性也更好。

16-17.png

Advanced Functional Materials, 29, 1902245 (2019).



3.2.2

高机械强度的离子凝胶

电解质及其特性


通过将离子液体混合到固体基质中制成的复合材料,这些离子凝胶通常是可溶液加工生产的并且具有高离子电导率。然而,缺点是它们的机械性能差。 

我们开发了一种机械强度较高的离子凝胶电解质,即利用剥离的 hBN 作为固体基质。剥离的 hBN 因其绝缘性质、高热稳定性和化学稳定性而成为很好的候选材料,并且由于其低维特性而显着改善了机械性能。利用剥离的 hBN 作为固体基质可以改善离子凝胶电解质机械性较差的问题。

在这种情况下,乙基纤维素添加剂热分解成富含 SP3 的碳涂层(而不是石墨烯存在时的 SP2),它是绝缘的,并进一步增强了所得离子凝胶的机械性能。如下图所示,测得的这种离子醇凝胶的机械性能大约是用块状、非剥落氮化硼制成的离子醇凝胶的 100 倍。这种离子醇凝胶还提供了较高离子电导率。

18.png


3.2.3

离子凝胶电解质的特性


3.2.3.1

高循环稳定性


由于这种较高机械性,用这种 hBN 离子凝胶电解质制成的锂离子电池在 0.1C 下 6 个月显示出高稳定性和可循环性。 

19.png

ACS Nano, 13, 9664 (2019).


但是当离子凝胶太厚(达到约 100 微米),充放电速率很低,目前我们一直在通过我们最近的研究开发更薄的凝胶电解质,并且使用这种类型的离子凝胶大大提高电池的充放电速率性能表现。

3.2.3.2

高电压稳定性


hBN 离子凝胶电解质还显示出与 LNMO 等高压正极材料的相容性,这是由于 hBN 离子凝胶的高化学/电化学稳定性。

20.png

剥离的 hBN 离子凝胶电解质与高压正极兼容,例如 LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO)

3.2.3.3

离子凝胶可实现高温和高速率


此外,hBN 凝胶在 175摄氏度 和 10C速率下均展示了稳定的锂离子电池性能。这表明离子凝胶可以实现高温高速率充放电。

21.png

ACS Nano, 13, 9664 (2019).


 4

固态电解质材料


除了以上极富创造力和想象力的新型锂电池材料以外,默克也推出了新的高纯度、细粒度、通过严格的测试、可以对电池研发应用进行优化的高品质固态电解质材料(如下图实例),欢迎大家扫描下方二维码,了解更多!

22.png


23.png



如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

Journal of Drug Targeting 聚焦药物传递
ELSEVIER理工paper精准润色
Nature论文写作课程
Frontiers 期刊最新因子现已公布
Health Systems and Reform
ELSEVIER第一届国际分离钝化技术大会
默克礼享季
最新CiteScore引用分出炉
屿渡论文,编辑服务
浙大
南开大学
清华大学
新加坡
纽约大学
东北大学
北京理工
南科大
上海中医药-连续6个月
南开
隐藏1h前已浏览文章
课题组网站
新版X-MOL期刊搜索和高级搜索功能介绍
ACS材料视界
天合科研
x-mol收录
试剂库存
down
wechat
bug