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科技彩云南 获奖成果 | 昆明理工大学:锂离子电池正极材料技术实现新突破

2021-12-27  点击:

[编者按]创新成果星光灿烂!近日,省科技厅宣教中心组织中央驻滇及省内主要媒体记者,集中采访部分获2020年度云南省科学技术奖项目,接续推出“获奖成果”专题报道。与读者一起体会科技人员坚持“四个面向”,迎难而上,朝着最紧急、最急迫的问题奋勇攀登,勇担实现高水平科技自立自强时代重任的心路历程,展示创新的精彩!驱动发展的动力!

随着电动汽车的普及,电动汽车等新能源产业成为发展热点。锂离子电池适用于电动汽车的动力系统,目前市面上六七成的动力电池正极材料用的是三元材料。三元正极材料相比钴酸锂电池材料具有价廉、低毒、高比容量等优点,是最具有应用前景的动力电池正极材料之一。然而,低镍三元材料快速充放电性能差、高镍三元材料结构不稳定等问题严重制约了三元材料的规模化应用。


如何突破大容量、高安全、长寿命三元正极材料的技术瓶颈?昆明理工大学教授、锂离子电池及材料制备技术国家地方联合工程实验室主任张英杰及其团队给出了答案—高性能多元氧化物电极材料关键制备技术。团队凭借“高性能多元氧化物电极材料关键制备技术与应用”项目,获2020年度云南省科学技术奖技术发明奖一等奖。

“三元正极材料就像储存能量的‘房子’,我们的工作就是研究怎么优化‘房子’的结构,让它变得更好住、更安全、使用寿命更长。”昆明理工大学冶金与能源工程学院副教授段建国解释道。

2007年,张英杰团队开始了电化学储能方向的研究,当时市面上商用的锂电池只有钴酸锂电池。但由于钴资源稀缺、难冶炼、价格昂贵且有毒,所以当时电化学储能领域的研究热点是开发钴酸锂的替代材料。在此契机下,团队开始尝试基于电化学原理,研究突破钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等电池材料中的各个技术瓶颈。而三元正极材料在应用过程中存在两大难题:低镍三元材料倍率性能不好,也就是快速充放电的性能不好;高镍三元材料容量高,但结构稳定性能、热稳定性能不好。

明确问题,对症下药。团队从稳定晶面暴露和调控颗粒团聚两个角度,自主研发出两种具有革命性的创新技术:超声波-表面活性剂辅助技术,提高了低镍三元材料的大倍率充放电性能;颗粒结构定向调控技术,提升了高镍三元材料结构稳定性和热稳定性。

运用此技术生产的电池产品振实密度、放热起始温度(239℃)都高于国内外同类产品。此外,电池1C容量达到184.6mAh/g,循环1000次容量保持率为93.8%,60℃下存储30天,容量保持率和恢复率分别为91.1%和97.6%,均高于同类产品。这些参数意味着这样的电池安全性更好、循环寿命更长。综合权威评价,项目整体技术达到了国际领先水平。

技术突破后,团队又着眼于将发明成果转化为实实在在的经济、社会和环境效益。从2016年开始,团队不仅与省内企业建立合作,还把“手”伸到了省外。很快,这项技术在云南能投汇龙科技有限公司、深圳市雄韬电源科技股份有限公司等6家企业得到了应用,3年间,为企业增收近6亿元。成果的转化应用,不仅为企业增收,也促进了云南本地资源优势和技术优势转化为产业优势,更为全球范围内高能量密度、长寿命的储能体系研发提供经验参考。

十余年间,从无到有,从“单枪匹马”到“桃李满天下”。回忆起技术发明的过程,张英杰感慨道:“我刚到昆工的时候,一台设备、一个实验室都没有,甚至一个实验桌都没有,而现在,我们拥有了很好的基础条件。”如今,走进昆明理工大学锂离子电池实验楼,整齐陈列在橱柜里的各式电池样本和一瓶瓶高纯试剂引入眼帘,身着“白大褂”的学生们在精密的实验仪器间穿梭,甚至能看到样板工厂。“我们读书的时候,张老师已经把平台搭建得很好了,她说我们是‘拿着绸子布学裁缝’的一辈人。”段建国看着眼前的一切说到。

栽下梧桐树,引得凤凰来。张英杰先后牵头成立了6个国家级、省部级科研平台,组建起锂离子电池研究团队、固体氧化物燃料电池团队、燃料电池研究团队、废旧电池回收团队,团队成员来自五湖四海、各有千秋。目前,团队已拥有6名高水平学术带头人、9名中青年学术骨干、18名青年教师和实验技术人员,培养出博士后6名,博士研究生15名,硕士研究生60余名。

省科技厅宣教中心

值班编辑:曾汀

值班校对:邹学润

审核:张恒荣

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