高镍三元高比能固态锂离子电池的研究进展

doi:10.6023/A23080370

化学学报 ›› 2023, Vol. 81 ›› Issue (12): 1724-1738.DOI: 10.6023/A23080370 上一篇下一篇

综述

高镍三元高比能固态锂离子电池的研究进展

张雅岚^a^,^b^,^c^,^d, 苑志祥^a^,^b^,^c, 张浩^a^,^b^,^c, 张建军^a^,^b^,^c^,^*(), 崔光磊^a^,^b^,^c^,^*()

a 中国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛储能产业技术研究院青岛 266101
b 山东能源研究院青岛 266101
c 青岛新能源山东省实验室青岛 266101
d 中国科学院大学材料与光电研究中心北京 100049

投稿日期:2023-08-08 发布日期:2023-09-12

作者简介:

张雅岚, 中国科学院青岛生物能源与过程研究所在读硕士研究生. 主要从事原位固态化构建高性能固态聚合物电解质和固态锂电池器件的研究.

张建军, 中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员, 硕士生导师, 中国科学院青年创新促进会会员. 2011年进入中国科学院青岛生物能源与过程研究所工作, 主要研究方向是: 高电压聚合物固态锂(钠)二次电池技术及其关键材料. 主持承担国家自然科学基金面上项目2项、国家自然科学基金青年基金1项、中国科学院青年创新促进会会员人才项目1项等多个项目. 以第一(含共一)或通讯作者在Adv. Energy Mater.、Small和Energy Environ. Sci.等国际权威学术期刊发表SCI论文30篇(其中4篇入选ESI高被引论文), 总引用次数2967次. 申请美国和日本专利共2项, 获得授权欧洲专利1项; 授权中国发明专利21项, 授权中国实用新型专利3项. 获得2017年青岛市自然科学奖一等奖(第五完成人); 获得2018年山东省自然科学奖一等奖(第五完成人); 获得2021年青岛市科技进步奖一等奖(第五完成人).

崔光磊, 中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员, 博士生导师, 国务院特殊津贴专家, 国家杰青和WR计划, 中国科学院深海智能技术先导专项副总工程师(固态电池基深海能源体系), 青岛市储能产业技术研究院院长, 国际聚合物电解质委员会理事. 2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位, 2005年9月至2009年2月先后在德国马普协会高分子研究所和固体研究所从事博士后研究. 2009年2月起于中国科学院青岛生物能源与过程研究所工作. 2009年入选中国科学院“百人计划”(终期评估优秀), 2009年获山东省自然科学杰出青年基金资助, 2015年入选山东省“泰山学者特聘专家”, 2016年获国家自然科学杰出青年基金资助, 2018年至2021年, 十三五国家重点研发计划新能源汽车专项, 高比能固态电池项目负责人. 主要从事低成本高效能源储存与转换器件的研究. 作为负责人/课题负责人承担国家自然科学杰出青年基金、国家973计划、863计划、国家自然科学基金面上项目、省部级及中科院先导专项、企业横向项目等多项科研项目. 在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem., Int. Ed.、Adv. Mater.等发表论文300余篇, 引用2万余次, 申请国家专利210余项, 获得授权113项, 申请PCT专利7项, 获得授权欧洲专利1项, 出版《动力锂电池中聚合物关键材料》书籍一部. 获得2017年青岛市自然科学奖一等奖(第一完成人); 获得2018年山东省自然科学奖一等奖(第一完成人); 获得2021年青岛市科技进步奖一等奖(第一完成人).

基金资助:
国家自然科学基金(52073298); 国家自然科学基金(52273221); 中国科学院青年创新促进会(2020217); 江苏省高效电化学储能技术重点实验室开放课题基金(EEST2022-1)

Research Progress of High-energy-density Solid-state Lithium Ion Batteries Employing Ni-rich Ternary Cathodes

Yalan Zhang^a^,^b^,^c^,^d, Zhixiang Yuan^a^,^b^,^c, Hao Zhang^a^,^b^,^c, Jianjun Zhang^a^,^b^,^c(), Guanglei Cui^a^,^b^,^c()

a Qingdao Industrial Energy Storage Research Institute, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101
b Shandong Energy Institute, Qingdao 266101
c Qingdao New Energy Shandong Laboratory, Qingdao 266101
d Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

Received:2023-08-08 Published:2023-09-12
Contact: *E-mail: zhang_jj@qibebt.ac.cn;cuigl@qibebt.ac.cn; Tel.: 0532-80662746; Fax: 0532-80662744
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52073298); National Natural Science Foundation of China(52273221); Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences(2020217); Open Fund of Jiangsu Key Laboratory of Electrochemical Energy Storage Technologies(EEST2022-1)

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摘要/Abstract

在全球“碳达峰、碳中和”双碳战略的宏观大背景下, 新能源汽车以其绿色低碳、清洁可持续等优点已经成为传统燃油车的理想替代品, 并且在未来交通行业极具发展优势. 然而随着电动汽车对更长续航里程和更高安全性能要求的不断攀升, 作为电动汽车能源供给核心的液态锂离子电池无论是能量密度还是安全性, 均已经捉襟见肘. 因为目前采用传统液态碳酸酯电解液的锂离子电池存在易泄露、易挥发、易燃烧和易爆炸等重大安全隐患, 且能量密度已经接近其理论能量密度上限. 因此, 亟待颠覆性储能技术的出现. 采用固态电解质构建的高镍三元/石墨(或硅碳)固态锂离子电池, 同时兼顾了高能量密度和高安全特性, 是液态锂离子电池的升级版本. 笔者调研发现: 截至目前采用固态电解质构建高安全、高能量密度的高镍三元/石墨(或硅碳)固态锂离子电池已经取得相当大的研究进展, 因此本文从无机固态电解质和聚合物固态电解质两方面对构建的高镍三元/石墨(或硅碳)固态锂离子电池研究进展以及固态锂离子电池的界面稳定机制进行了详细阐述. 还对高镍三元/石墨(或硅碳)固态锂离子电池所存在的挑战以及未来发展趋势进行了详细展望.

关键词: 高安全锂离子电池, 高镍三元正极, 石墨(或硅碳负极), 固态电解质, 界面化学

To achieve carbon peaking and carbon neutrality goals, increasing the share of non-fossil energy consumption and accelerating the growth of clean, low-carbon and sustainable energy are highly desirable in developing a clean and diversified energy supply system. In this retrospect, new energy vehicles have become an ideal substitute for the traditional fuel vehicles due to their green, low-carbon, clean and sustainable characteristics, and have promising development in the future transportation industry. However, the continuously increasing demand for longer range and safety performance in electric vehicles has challenged the state-of-the-art liquid-state lithium-ion batteries. At present, the conventional lithium-ion batteries based on the traditional carbonate liquid-state electrolyte face many potential safety issues, such as leakage, volatility, combustion and explosion. In addition, their energy density reaches closely to their theoretical upper limit. Therefore, breakthroughs in battery storage technologies are urgently needed. Solid-state lithium-ion batteries, which are built with solid-state electrolytes and Ni-rich cathodes/graphite (or silicon-carbon) electrodes are the most promising battery technologies combining high energy density and improved safety property. An in-depth literature survey shows that considerable progress in the construction of high safety, high energy density Ni-rich cathodes/graphite (or silicon-carbon) solid-state lithium-ion batteries have been achieved recently. Hence, this review mainly summarizes the research progress and the development of Ni-rich cathodes/graphite (or silicon-carbon) solid-state lithium-ion batteries using inorganic solid electrolytes and polymer solid electrolytes. Moreover, the remaining challenges and future development trends of Ni-rich cathodes/graphite (or silicon-carbon) solid-state lithium-ion batteries are also discussed and presented. It is expected that the current review would contribute to the further research and development of Ni-rich cathodes/graphite (or silicon-carbon) solid-state lithium-ion batteries.

Key words: high-safety lithium-ion battery, Ni-rich ternary cathodes, graphite (or silicon-carbon composite anodes), solid- state electrolyte, interfacial chemistry

引用此文

张雅岚, 苑志祥, 张浩, 张建军, 崔光磊. 高镍三元高比能固态锂离子电池的研究进展[J]. 化学学报, 2023, 81(12): 1724-1738.

Yalan Zhang, Zhixiang Yuan, Hao Zhang, Jianjun Zhang, Guanglei Cui. Research Progress of High-energy-density Solid-state Lithium Ion Batteries Employing Ni-rich Ternary Cathodes[J]. Acta Chimica Sinica, 2023, 81(12): 1724-1738.

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图/表 11

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[14]	电解质: LLZT-400 正极: NCM111 负极: Gr	电解质离子电导率: 1.03×10^-4 S•cm^-1, 25 ℃	NCM111/Gr固态电池: 2.5~4.2 V, 第一次0.02 C 充放电, 60 ℃; 之后以0.01 C充放电, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 6.65 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 4.46 mg•cm^-2	固态电池^#: 循环25圈后拥有85.6%容量保持率
[16]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LiNbO₃涂覆的NCM622 负极: Gr	电解质离子电导率: 3.2×10^-3 S•cm^-1, 30 ℃	NCM622/Gr固态电池: 2.50~4.20 V前两个循环, 2.50~4.25 V随后的两个循环, 2.50~4.30 V随后的循环, 30 ℃ 正极活性物质面积负载: 37 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 27 mg•cm^-2 80 mm×60 mm软包电池: 2.5~4.2 V, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 21 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 13 mg•cm^-2	固态电池^#: 0.025 C循环13圈容量保持率约为99.2% 软包电池^#: 0.025 C下循环20圈容量保持率为90.2%
[17]	电解质: 含NBR的Li₃PS₄ 正极: LiNbO₃涂覆的NCM622(与SE前驱体混合湿法制备) 负极: 石墨(与SE前驱体混合湿法制备)	电解质离子电导率: 1.0×10^-4 S•cm^-1, 30 ℃	NCM622/Gr固态电池: 在0.1 C, 30 ℃进行两个循环, 在0.2 C下进行随后的13个循环; 升至100 ℃, 15 C倍率进行循环, 2.5~4.2 V	固态电池: 在250次循环后, 相对于100 ℃下的初始容量, 仍保持86%的容量
[18]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LZO涂覆NCM9055 负极: Ag-C复合材料	电解质离子电导率: 1.31×10^-3 S•cm^-1, 室温	0.6 Ah软包电池: 2.5~4.25 V, 60 ℃	软包电池: 0.5 C循环1000圈容量保持率约为89%
[20]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LZO涂覆NCM9055 负极: Si-C复合材料	—	NCM9055/Si-C固态电池: 1.5~4.25 V, 25 ℃ 负极活性物质面积负载: 4.8 mg•cm^-2	固态电池: 0.2 mA•cm^-2充/1.0 mA•cm^-2放电循环50圈后, 最高容量保留率为87.7%
[21]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LZO涂覆NCM9055 负极: μm-Si	—	NCM9055/μm-Si固态电池: 1.5~4.0 V, 25 ℃	固态电池: 0.03 C充/0.15 C放电50圈后, 容量保留率为71.3%
[22]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LZO涂覆NCM9055 负极: col-Si	电解质离子电导率: 3×10^-3 S•cm^-1, 40 ℃	NCM9055/col-Si固态电池: 2.0~4.0 V, 25 ℃ 负极活性物质面积负载: 1.00 mg•cm^-2 8 mAh软包电池: 2.0~4.0 V, 25 ℃	固态电池: 0.4 C充/0.08 C放电50次循环后, 容量保持率为92.8%; 在循环100圈后容量保持率为82% 软包电池: 加压25 MPa, 0.19 mA•cm^-2充/0.9 mA•cm^-2放电50圈后, 容量保持率为95%
[28]	电解质: Li₂S-P₂S₅ 正极: LZO涂覆LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: Gr	—	正极活性物质面积负载: 35 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 14 mg•cm^-2 LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Gr固态电池: 2.5~4.0 V, 25 ℃ 0.1 Ah软包电池: 2.5~4.0 V, 25和60 ℃	固态电池: 0.1 C充放电100次循环后, 容量保持率为91.7% 软包电池: 0.1 C充放电100圈, 25 ℃容量保持率为82%; 60 ℃容量保持率为85%
[29]	电解质: Li₂S-P₂S₅ 正极: DLC涂覆LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: Gr	—	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Gr固态电池: 2.5~4.0 V, 25 ℃	固态电池: 0.1 C充/0.5 C放电100次循环后, 容量保持率为91%
[30]	电解质: Li₂S-P₂S₅ 正极: LZO涂覆LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: Li-C	—	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Li-C固态电池: 2.0~4.0 V, 25 ℃	固态电池^#: 0.025 C倍率下充放电能循环100圈, 容量保持率约为93.9%
[31]	电解质: LPS 正极: LNO₃涂覆LiNi_0.85Co_0.1Al_0.05O₂ 负极: Gr-LPS三维负极	电解质离子电导率: 2.01×10^-3 S•cm^-1, 室温	LiNi_0.85Co_0.1Al_0.05O₂/Gr固态电池: 2.5~4.3 V, 25 ℃ 负极活性物质面积负载: 1.7 mg•cm^-2	固态电池: 0.75 mAh•cm^-2电流密度经过80次循环后容量保持率38%

参考文献	无机固态电解质、正极、负极组成	电化学性能	充放电电压区间和测试温度	电池性能
[13]	电解质: LLZT＋40% (w) LSCB 正极: NCM111 负极: Si	电解质离子电导率: 1.4×10^-6 S•cm^-1, 25 ℃	NCM111/Si固态电池: 2.0~4.2 V, 25 ℃	固态电池^#: 0.13 mA•cm^-2充放电, 50圈后拥有93.7%容量保持率
[14]	电解质: LLZT-400 正极: NCM111 负极: Gr	电解质离子电导率: 1.03×10^-4 S•cm^-1, 25 ℃	NCM111/Gr固态电池: 2.5~4.2 V, 第一次0.02 C 充放电, 60 ℃; 之后以0.01 C充放电, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 6.65 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 4.46 mg•cm^-2	固态电池^#: 循环25圈后拥有85.6%容量保持率
[16]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LiNbO₃涂覆的NCM622 负极: Gr	电解质离子电导率: 3.2×10^-3 S•cm^-1, 30 ℃	NCM622/Gr固态电池: 2.50~4.20 V前两个循环, 2.50~4.25 V随后的两个循环, 2.50~4.30 V随后的循环, 30 ℃ 正极活性物质面积负载: 37 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 27 mg•cm^-2 80 mm×60 mm软包电池: 2.5~4.2 V, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 21 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 13 mg•cm^-2	固态电池^#: 0.025 C循环13圈容量保持率约为99.2% 软包电池^#: 0.025 C下循环20圈容量保持率为90.2%
[17]	电解质: 含NBR的Li₃PS₄ 正极: LiNbO₃涂覆的NCM622(与SE前驱体混合湿法制备) 负极: 石墨(与SE前驱体混合湿法制备)	电解质离子电导率: 1.0×10^-4 S•cm^-1, 30 ℃	NCM622/Gr固态电池: 在0.1 C, 30 ℃进行两个循环, 在0.2 C下进行随后的13个循环; 升至100 ℃, 15 C倍率进行循环, 2.5~4.2 V	固态电池: 在250次循环后, 相对于100 ℃下的初始容量, 仍保持86%的容量
[18]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LZO涂覆NCM9055 负极: Ag-C复合材料	电解质离子电导率: 1.31×10^-3 S•cm^-1, 室温	0.6 Ah软包电池: 2.5~4.25 V, 60 ℃	软包电池: 0.5 C循环1000圈容量保持率约为89%
[20]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LZO涂覆NCM9055 负极: Si-C复合材料	—	NCM9055/Si-C固态电池: 1.5~4.25 V, 25 ℃ 负极活性物质面积负载: 4.8 mg•cm^-2	固态电池: 0.2 mA•cm^-2充/1.0 mA•cm^-2放电循环50圈后, 最高容量保留率为87.7%
[21]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LZO涂覆NCM9055 负极: μm-Si	—	NCM9055/μm-Si固态电池: 1.5~4.0 V, 25 ℃	固态电池: 0.03 C充/0.15 C放电50圈后, 容量保留率为71.3%
[22]	电解质: Li₆PS₅Cl 正极: LZO涂覆NCM9055 负极: col-Si	电解质离子电导率: 3×10^-3 S•cm^-1, 40 ℃	NCM9055/col-Si固态电池: 2.0~4.0 V, 25 ℃ 负极活性物质面积负载: 1.00 mg•cm^-2 8 mAh软包电池: 2.0~4.0 V, 25 ℃	固态电池: 0.4 C充/0.08 C放电50次循环后, 容量保持率为92.8%; 在循环100圈后容量保持率为82% 软包电池: 加压25 MPa, 0.19 mA•cm^-2充/0.9 mA•cm^-2放电50圈后, 容量保持率为95%
[28]	电解质: Li₂S-P₂S₅ 正极: LZO涂覆LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: Gr	—	正极活性物质面积负载: 35 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 14 mg•cm^-2 LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Gr固态电池: 2.5~4.0 V, 25 ℃ 0.1 Ah软包电池: 2.5~4.0 V, 25和60 ℃	固态电池: 0.1 C充放电100次循环后, 容量保持率为91.7% 软包电池: 0.1 C充放电100圈, 25 ℃容量保持率为82%; 60 ℃容量保持率为85%
[29]	电解质: Li₂S-P₂S₅ 正极: DLC涂覆LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: Gr	—	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Gr固态电池: 2.5~4.0 V, 25 ℃	固态电池: 0.1 C充/0.5 C放电100次循环后, 容量保持率为91%
[30]	电解质: Li₂S-P₂S₅ 正极: LZO涂覆LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: Li-C	—	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Li-C固态电池: 2.0~4.0 V, 25 ℃	固态电池^#: 0.025 C倍率下充放电能循环100圈, 容量保持率约为93.9%
[31]	电解质: LPS 正极: LNO₃涂覆LiNi_0.85Co_0.1Al_0.05O₂ 负极: Gr-LPS三维负极	电解质离子电导率: 2.01×10^-3 S•cm^-1, 室温	LiNi_0.85Co_0.1Al_0.05O₂/Gr固态电池: 2.5~4.3 V, 25 ℃ 负极活性物质面积负载: 1.7 mg•cm^-2	固态电池: 0.75 mAh•cm^-2电流密度经过80次循环后容量保持率38%

参考文献	聚合物电解质、正极、负极组成	电化学性能	充放电电压区间和测试温度	电池性能
[32]	电解质: PTMG＋(MDI-EDA)＋LE (1 mol/L LiPF₆, EC∶DEC=1∶1, 体积比), 在溶液中MDI和PTMG混合80 ℃加热4 h冷却至室温后, 加入EDA后70 ℃保持4 h, 添加LE 正极: NCM523 负极: SiO	电解质离子电导率: 2.4×10^-4 S• cm^-1, 25 ℃	NCM523/SiO扣式电池: 2.8~4.2 V 正极活性物质面积负载: 20 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 4.7 mg•cm^-2	扣式电池: 1.0 mA•cm^-2循环350次实现了70.0%的容量保持率
[34]	电解质: PEO＋PEG＋LiTFSI＋3% (φ) Al₂O₃[n(PEO)：n(PEG)：n(LiTFSI)=20：2：1]. PEO和PEG的混合物溶解在乙腈中12 h. 再加入Al₂O₃和LiTFSI混合12 h 正极: LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: SiNW	—	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Si扣式电池: 先在3~4 V下循环30次, 然后在2.8~4.2 V的各种其他电压范围内循环, 60 ℃ 负极活性物质面积负载: 0.7 mg•cm^-2	扣式电池^#: 0.1 mA•cm^-2电流密度下循环73次拥有59.6%的容量保持率
[35]	电解质: PVDF-HFP＋溶于EC的1 mol/L LiPF₆＋Al₂O₃ [m(PVDF-HFP)∶m(EC)∶m(Al₂O₃)=15.8∶47.4∶36.8]. 前两种组分在80 ℃下连续搅拌1 h后, 室温下添加Al₂O₃ 正极: NCM622@CNT 负极: Gr-SiO_x@CNT	电解质离子电导率: 5.22×10^-3 S•cm^-1, 30 ℃; 6.18×10^-3 S•cm^-1, 60 ℃	NCM622/Gr-SiO_x扣式电池: 2.5~4.3 V, 60 ℃ 正极活性物质面积负载: 36.40 mg•cm^-2	扣式电池: 0.5 C循环100次拥有80%的容量保持率
[36]	电解质: PVDF-HFP＋TMSPB＋SA＋LE [1 mol/L LiPF₆, m(EC)∶m(DEC)∶m(EMC)=3∶2∶5]＋TMSPB＋丁二酸酐. 正极: NCM622@CNT 负极: Gr-SiO_x@CNT	电解质离子电导率: 6.5×10^-3 S•cm^-1	NCM811/Gr扣式电池: 2.80~4.35 V 正极活性物质面积负载: 3.2 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 2.0 mg•cm^-2	扣式电池: 前三次循环以0.2 C倍率进行, 之后以1 C充放电100次拥有81%的容量保持率
[38]	电解质: 1.5% (w) PETEA＋0.1% (w) AIBN＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DEC)∶V(EMC)=1∶1∶1]. 在70 ℃下保持6 h, 室温下静置24 h完成聚合正极: LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 8.46×10^-3 S•cm^-1, 25 ℃	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Gr-Si的2 Ah软包电池: 2.75~4.20 V, 45 ℃ 正极活性物质面积负载: 13.5 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 7.4 mg•cm^-2	软包电池: 0.5 C充/1 C放电循环280圈拥有83.9%的容量保持率
[39]	电解质: PETEA＋AIBN＋95% (w) LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DEC)=1∶1]＋PAN. 在室温下保持3 h, 60 ℃下静置12 h完成聚合正极: NCM811 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 1.48×10^-3 S•cm^-1, 30 ℃ 锂离子迁移数: 0.77	NCM811/Gr-Si的扣式电池: 3.0~4.3 V, 30 ℃ 正极活性物质面积负载: 2 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 1.81 mg•cm^-2	扣式电池: 0.5 C充放电循环200圈拥有80%的容量保持率
[40]	电解质: 2% (w) PVA-CN＋1% (w) LiDFOB＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DMC)=1∶1]. 在0.1 C下进行两个循环, 在60 ℃下静置24 h完成聚合正极: NCM523 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 7.26×10^-3 S•cm^-1, 25 ℃	NCM523/Gr-Si扣式电池: 2.5~4.2 V, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 9.9 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 4.4 mg•cm^-2	扣式电池: 0.5 C倍率循环300圈拥有75.4%容量保持率
[41]	电解质: 2.0% (w) PVA-CN＋0.5% (w) LiDFOB＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DMC)=1∶1]. 室温下静置16 h, 在0.1 C下进行两个循环, 在60 ℃下静置16 h完成聚合正极: NCM622 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 7.23×10^-3 S•cm^-1, 25 ℃	NCM622/Gr-Si扣式电池: 2.8~4.3 V, 25 ℃	扣式电池: 1 C循环200次后拥有85.1%容量保持率
[42]	电解质: t-BPP＋VC＋BPh-A＋LiBPB＋LiTFSI＋PEGDME [m(BPh-A)∶m(PEGDME)=2∶8]＋35% (φ) NFL [V(PC)∶V(FEMC)∶V(DFDEC)=3∶2∶5; 0.1 mol/L LiBPB; 2% (w) VC]. 在90 ℃下静置30 min完成聚合正极: NCM811 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 1.1×10^-3 S•cm^-1, 25 ℃	NCM811/Gr-Si扣式电池: 2.7~4.2 V, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 10 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 3.5 mg•cm^-2	扣式电池: 0.05 C循环50次后拥有75%的容量保持率
[43]	电解质: 6% (w) PEGDA＋0.2% (w) AIBN＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DEC)∶V(EMC)=1∶1∶1], 在60 ℃下静置12 h完成聚合正极: NCM811 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 5.6×10^-4 S•cm^-1, 25 ℃ 锂离子迁移数: 0.33	NCM811/Gr-Si的2 Ah软包电池: 2.7~4.2 V, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 17.1 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 8.02 mg•cm^-2	软包电池: 1 C循环550次后, 保持82.3%的高容量保持率.
[44]	电解质: PEGDA＋1% (w) HT＋AIBN＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DMC)=1∶1], 在室温下保持2h后, 60 ℃下静置12 h完成聚合正极: NCM811 负极: Gr	电解质离子电导率: 9.86×10^-4 S•cm^-1, 30 ℃	NCM811/Gr的软包电池: 3.0~4.3 V, 30 ℃ 正极活性物质面积负载: 2.5 mg•cm^-2	软包电池: 0.2 C循环90次后容量保持率为88.2%

参考文献	聚合物电解质、正极、负极组成	电化学性能	充放电电压区间和测试温度	电池性能
[32]	电解质: PTMG＋(MDI-EDA)＋LE (1 mol/L LiPF₆, EC∶DEC=1∶1, 体积比), 在溶液中MDI和PTMG混合80 ℃加热4 h冷却至室温后, 加入EDA后70 ℃保持4 h, 添加LE 正极: NCM523 负极: SiO	电解质离子电导率: 2.4×10^-4 S• cm^-1, 25 ℃	NCM523/SiO扣式电池: 2.8~4.2 V 正极活性物质面积负载: 20 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 4.7 mg•cm^-2	扣式电池: 1.0 mA•cm^-2循环350次实现了70.0%的容量保持率
[34]	电解质: PEO＋PEG＋LiTFSI＋3% (φ) Al₂O₃[n(PEO)：n(PEG)：n(LiTFSI)=20：2：1]. PEO和PEG的混合物溶解在乙腈中12 h. 再加入Al₂O₃和LiTFSI混合12 h 正极: LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: SiNW	—	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Si扣式电池: 先在3~4 V下循环30次, 然后在2.8~4.2 V的各种其他电压范围内循环, 60 ℃ 负极活性物质面积负载: 0.7 mg•cm^-2	扣式电池^#: 0.1 mA•cm^-2电流密度下循环73次拥有59.6%的容量保持率
[35]	电解质: PVDF-HFP＋溶于EC的1 mol/L LiPF₆＋Al₂O₃ [m(PVDF-HFP)∶m(EC)∶m(Al₂O₃)=15.8∶47.4∶36.8]. 前两种组分在80 ℃下连续搅拌1 h后, 室温下添加Al₂O₃ 正极: NCM622@CNT 负极: Gr-SiO_x@CNT	电解质离子电导率: 5.22×10^-3 S•cm^-1, 30 ℃; 6.18×10^-3 S•cm^-1, 60 ℃	NCM622/Gr-SiO_x扣式电池: 2.5~4.3 V, 60 ℃ 正极活性物质面积负载: 36.40 mg•cm^-2	扣式电池: 0.5 C循环100次拥有80%的容量保持率
[36]	电解质: PVDF-HFP＋TMSPB＋SA＋LE [1 mol/L LiPF₆, m(EC)∶m(DEC)∶m(EMC)=3∶2∶5]＋TMSPB＋丁二酸酐. 正极: NCM622@CNT 负极: Gr-SiO_x@CNT	电解质离子电导率: 6.5×10^-3 S•cm^-1	NCM811/Gr扣式电池: 2.80~4.35 V 正极活性物质面积负载: 3.2 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 2.0 mg•cm^-2	扣式电池: 前三次循环以0.2 C倍率进行, 之后以1 C充放电100次拥有81%的容量保持率
[38]	电解质: 1.5% (w) PETEA＋0.1% (w) AIBN＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DEC)∶V(EMC)=1∶1∶1]. 在70 ℃下保持6 h, 室温下静置24 h完成聚合正极: LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 8.46×10^-3 S•cm^-1, 25 ℃	LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/Gr-Si的2 Ah软包电池: 2.75~4.20 V, 45 ℃ 正极活性物质面积负载: 13.5 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 7.4 mg•cm^-2	软包电池: 0.5 C充/1 C放电循环280圈拥有83.9%的容量保持率
[39]	电解质: PETEA＋AIBN＋95% (w) LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DEC)=1∶1]＋PAN. 在室温下保持3 h, 60 ℃下静置12 h完成聚合正极: NCM811 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 1.48×10^-3 S•cm^-1, 30 ℃ 锂离子迁移数: 0.77	NCM811/Gr-Si的扣式电池: 3.0~4.3 V, 30 ℃ 正极活性物质面积负载: 2 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 1.81 mg•cm^-2	扣式电池: 0.5 C充放电循环200圈拥有80%的容量保持率
[40]	电解质: 2% (w) PVA-CN＋1% (w) LiDFOB＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DMC)=1∶1]. 在0.1 C下进行两个循环, 在60 ℃下静置24 h完成聚合正极: NCM523 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 7.26×10^-3 S•cm^-1, 25 ℃	NCM523/Gr-Si扣式电池: 2.5~4.2 V, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 9.9 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 4.4 mg•cm^-2	扣式电池: 0.5 C倍率循环300圈拥有75.4%容量保持率
[41]	电解质: 2.0% (w) PVA-CN＋0.5% (w) LiDFOB＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DMC)=1∶1]. 室温下静置16 h, 在0.1 C下进行两个循环, 在60 ℃下静置16 h完成聚合正极: NCM622 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 7.23×10^-3 S•cm^-1, 25 ℃	NCM622/Gr-Si扣式电池: 2.8~4.3 V, 25 ℃	扣式电池: 1 C循环200次后拥有85.1%容量保持率
[42]	电解质: t-BPP＋VC＋BPh-A＋LiBPB＋LiTFSI＋PEGDME [m(BPh-A)∶m(PEGDME)=2∶8]＋35% (φ) NFL [V(PC)∶V(FEMC)∶V(DFDEC)=3∶2∶5; 0.1 mol/L LiBPB; 2% (w) VC]. 在90 ℃下静置30 min完成聚合正极: NCM811 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 1.1×10^-3 S•cm^-1, 25 ℃	NCM811/Gr-Si扣式电池: 2.7~4.2 V, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 10 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 3.5 mg•cm^-2	扣式电池: 0.05 C循环50次后拥有75%的容量保持率
[43]	电解质: 6% (w) PEGDA＋0.2% (w) AIBN＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DEC)∶V(EMC)=1∶1∶1], 在60 ℃下静置12 h完成聚合正极: NCM811 负极: Gr-Si	电解质离子电导率: 5.6×10^-4 S•cm^-1, 25 ℃ 锂离子迁移数: 0.33	NCM811/Gr-Si的2 Ah软包电池: 2.7~4.2 V, 25 ℃ 正极活性物质面积负载: 17.1 mg•cm^-2 负极活性物质面积负载: 8.02 mg•cm^-2	软包电池: 1 C循环550次后, 保持82.3%的高容量保持率.
[44]	电解质: PEGDA＋1% (w) HT＋AIBN＋LE [1 mol/L LiPF₆, V(EC)∶V(DMC)=1∶1], 在室温下保持2h后, 60 ℃下静置12 h完成聚合正极: NCM811 负极: Gr	电解质离子电导率: 9.86×10^-4 S•cm^-1, 30 ℃	NCM811/Gr的软包电池: 3.0~4.3 V, 30 ℃ 正极活性物质面积负载: 2.5 mg•cm^-2	软包电池: 0.2 C循环90次后容量保持率为88.2%

全电池组成	能量密度/(Wh•kg^-1)	容量保持率
全电池组成	能量密度/(Wh•kg^-1)	0.5 C充/1 C放电, 280圈, 45 ℃	0.5 C充/5 C放电, 200圈, 25 ℃
NLG: LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/LE/Gr	210	75.7%	51.4%
NPG: LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/GPE/Gr	215	86.4%	92.5%
NLGS: LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/LE/Gr-Si	225	68.9%	55.9%
NPGS: LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂/GPE/Gr-Si	228	83.9%	81.2%

高镍三元高比能固态锂离子电池的研究进展

Research Progress of High-energy-density Solid-state Lithium Ion Batteries Employing Ni-rich Ternary Cathodes

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