高性能复合材料在新能源汽车电池壳体轻量化中的创新应用案例

车用动力锂离子电池纳米硅/碳负极材料的制备技术与发展

随着环境问题和能源问题的日益突出,传统汽车逐渐走向新能源化.锂离子电池具有放电电压平台高,自放电小,环境友好等优点,被认为是最有前景的新能源汽车动力之一.然而,随着人们对新能源汽车续航能力要求的逐渐提高,进一步提高汽车动力电池的能量密度成为当今社会研究的热点.目前,商业化车用动力锂离子电池的正极材料以磷酸铁锂(LiFePO_4)和三元材料(Li(Ni_xCo_yMn_(1-x-y)) O)为主,负极以石墨为主,其能量密度仅为200～300 Wh·kg~(-1).因此,提高汽车动力电池的能量密度,研发高能量密度的正负极材料是动力电池的研究方向之一.硅具有4 200 mA h·g~(-1)的超高理论比容量,是制备车用高能量密度型锂离子电池最有前景的负极材料之一.然而,硅在充放电反应中的剧烈体积变化严重阻碍了其商业应用.硅采用合金化反应方式储存锂离子,合金化反应在提供高比容量的同时伴随着300%的体积膨胀.剧烈的体积变化导致活性物质脱落,SEI膜持续形成等问题,进而导致实际使用时电池容量的快速衰减.此外,纯硅属于半导体,本征载流子浓度很低,无法满足电极对导电性的要求.解决上述问题最常用的方法有以下三种:(1)硅的纳米化.锂离子在固体中的扩散较为困难,在外加电场作用下,锂离子在硅中的扩散速度依然很慢.通过硅纳米化的方式可以缩短锂离子从硅表面到中心的扩散距离,有效缩短电池充电时间.(2)硅/碳复合.碳材料具有良好的循环稳定性和导电性,将硅与碳复合,碳可以缓冲硅在合金化反应中剧烈的体积变化,提高整个负极的电子电导率,外层碳壳能阻止硅和电解液的直接接触,形成稳定的SEI膜.(3)微观结构设计.中空核-壳结构,3D多孔结构等特殊结构可以缓解硅的体积膨胀效应,有效抑制电极材料的脱落.研究中经常综合使用上述三种方法来制备高性能纳米硅/碳负极材料,如3D多孔纳米硅/碳材料,中空核-壳纳米硅/碳材料等.本文先阐述了硅锂合金的电化学反应机理与容量衰减的原因,以及纳米硅的制备方法,然后从表面包覆,结构制备,掺杂,MOFs改性等方面对硅/碳复合材料的常见修饰方法进行了综述,并进一步分析了中空核-壳结构,多孔结构等在提高电化学性能上的优势.最后,本文总结了纳米硅/碳作为负极材料的优点与当前遇到的问题,归纳并分析了不同包覆材料,不同包覆方法和不同离子掺杂带来的性能差异及原因,提出未来纳米硅/碳产业化道路上的关键突破点,并展望了其在纯电动汽车领域的应用前景.

新能源汽车"轻装上阵"方能跑得更远

要破解我国新能源汽车发展瓶颈,应该两条腿走路,一方面抓高性能,低成本电池技术的突破,另一方面应该抓新能源车的轻量化,特别是抓全复合材料车身的轻量化.我认为,在现阶段(电池技术还没有大的突破前提下)开展全复合材料轻量化车身的研究,在某种意义上讲能起到事半功倍的效果."国内著名汽车复合材料专家蒋鼎丰呼吁.

硒化钒基负极复合材料的制备及其储锂性能研究

缓解日趋严峻的环境问题和能源危机已然成为全球发展的重中之重,加之移动设备的飞速迭代升级,对可替代能源以及储能器件的研究逐渐占领潮头.1991年索尼公司首次实现Li Co O2/C体系锂离子电池(Lithium-ion batteries,LIBs)的商业化后,锂离子电池因为其在开路电压,响应时间,比能量,自放电效率与记忆效应方面的优势,在一系列已开发储能器件中脱颖而出.如今,锂离子电池已成熟应用于各种便携式移动设备,新能源汽车和智能电网等领域,是目前应用最广,前景最光明的储能设备.电极材料所展示的性能优劣与锂离子电池的表现息息相关,目前商用石墨负极材料因其较低的理论比容量明显无法满足人类未来的能源需求,使锂离子电池进一步的发展受到严重掣肘.因此探索高性能电极材料是实现优越锂离子电池体系研发的重要方向.在近几年对负极材料的研究中,过渡金属硒化物由于在锂的脱嵌过程中表现出出色的体积容量和电荷迁移速率,收获研究者越来越多的关注.其中,较轻的分子质量和多电子转移机制使得VSe2基材料在储锂方面凸显出卓越的电化学活性.然而,VSe2在循环过程中普遍存在的体积膨胀会引发电极结构的严重破坏,导致倍率性能降低,容量迅速衰退.此外,传统的电化学沉积法虽然能制备出高结晶度的VSe2,但是复杂的工艺和高温要求耗能巨大.这些都制约了VSe2的发展和应用.研究表明,构建多维纳米结构,引入碳基材料都是有效改善电极材料中离子扩散和传输不足的手段.本文围绕VSe2负极材料的制备和改性,设计多维结构和优化复合策略,对VSe2储锂性能展开研究.具体工作如下:1.二维层状过渡金属氮化物/碳化物MXene材料因为拥有可控的物化性能而在储能方面备受关注.我们利用V2CTx MXene作为金属源,经过煅烧硒化处理得到VSe2/MXene复合材料.研究发现当电流密度为100 m A g-1时,在600°C煅烧温度下制备得到的VSe2/MXene循环100圈后可逆比容量达到160.8 m Ah g-1,并且在1.0 A g-1电流密度下循环2000圈保持163.6 m Ah g-1的比容量.这主要得益于VSe2/MXene较高的比表面积(132.705 m2 g-1),可以为离子储存提供丰富的位点.然而VSe2/MXene依然面临着循环过程中较大的容量损耗问题,因此需要寻找对策去提升其比容量和循环稳定性.2.复合碳基材料的策略可以减轻电极材料在脱/嵌锂离子过程中发生的体积膨胀现象,有利于保持结构稳定性,因此我们在V2CTx上原位生长聚吡咯(Polypyrrole,PPy),并经过600°C的硒化处理,得到VSe2/C/Mxene复合物.通过优化前驱体中PPy的含量,VSe2/C/Mxene在100 m A g-1电流密度下比容量达到630.6 m Ah g-1;即使在电流密度为1.0 A g-1时也能稳定循环800圈,比容量保持在484.6 m Ah g-1.经分析,我们发现与碳材料复合后VSe2/C/Mxene表面的赝电容行为得到明显的改善,在1.0 m V s-1扫速下赝电容的贡献占比可到达53.0%.赝电容贡献的提升有助于解决电极循环过程中的结构变化问题,提高稳定性.3.利用金属有机框架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)及其衍生物比表面积高,形貌可控等特点,我们设计了三维多孔结构.将Ui O-66与V2CTx通过溶剂热方法复合,得到前驱体Ui O-66/V2CTx,经过简单的硒化处理制得VSe2-Zr O2/C/MXene八面体复合物.MOFs衍生高导电性碳骨架一方面提供了更多活性位点和传输通道,另一方面大大缩短了锂离子的运输路径.另外Zr O2可以协助VSe2更稳固地锚定在八面体碳骨架上,由此提高电化学稳定性.因此,VSe2-Zr O2/C/MXene展现出极高的可逆容量,在100 m A g-1电流密度下能够持续活化到1238.5 m Ah g-1,并且展现出优秀的循环稳定性,即使在1.0 A g-1电流密度下也能循环1000圈,容量保持在430 m Ah g-1.此外,我们以Li Fe PO4作为正极和VSe2-Zr O2/C/MXene为负极组装得到全电池.全电池Li Fe PO4||VSe2-Zr O2/C/Mxene可在100 m A g-1电流密度下稳定循环100圈并且保持储锂比容量113.2 m Ah g-1,即使在200 m A g-1的电流密度下依然能稳定工作.

一种含太阳能电池薄膜的复合材料部件的量产制备方法

本发明公开了一种含太阳能电池薄膜的复合材料部件的量产制备方法,属于新能源汽车技术领域.本发明的部件结构包括柔性太阳能电池薄膜组件与高性能连续纤维复合材料,采用RTM工艺以较高的压力注射入快速固化树脂的方式进行一体成型,不仅赋予应用此类产品的汽车具有优异的续航提升效果,同时充分发挥高性能连续纤维复合材料轻质高强的材料特性;其制备工艺采用较高的注射压力和成型压力,不仅实现整个部件的快速生产节拍≤10min,同时提升外观质量,提升成品率,从而降低生产制造成本.