[解读科学]新型复合材料开发，“K二次电池”的胜负手

by Paek Jongmin

Published 10 Jun.2024 09:11(KST)

韩国化学研究院开发寿命提升超3倍新型复合材料
有望解决二次电池寿命缩短主因
科学技术信息通信部“全球TOP战略团”项目亦将支持二次电池

韩国化学研究院二次电池研究组责任研究员 Kim Doyeob（右）与学生研究员 Jeong Sangyun 手持应用新型锂复合材料的电池软包电芯，面带笑容。照片由韩国化学研究院提供

韩国科研团队成功开发出一种比现有材料更安全、且寿命提升3倍以上的下一代锂二次电池新型材料。随着政府决定支持相关研究、以巩固在二次电池市场上的主导权，人们对“韩国制造”二次电池的高速发展寄予厚望。

韩国化学研究院（院长 Lee Youngguk）7日表示，由 Kim Doyeob 博士带领的研究团队成功开发出一种新型锂复合材料，可解决因电池内锂金属无法控制的无序生长而严重损害性能和安全性的问题。研究团队开发的高稳定性锂复合材料，未来通过后续研究与商业化研究，有望应用于备受关注的下一代锂二次电池，如锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池等。

锂离子迁移路径（正极→负极）及锂生长示意图

锂离子电池负极材料主要采用兼具经济性与安全性的石墨。但石墨与锂金属相比，能量密度较低，理论容量远远不足，且体积相对较大。

能够弥补这些缺点的锂金属，正崛起为下一代锂二次电池最理想的负极材料，但仍存在前提课题。常规锂二次电池在充电时，锂离子从正极移动到负极以储存电能。而在锂离子电池中，从正极迁移到负极的锂离子会进入石墨的层状结构中并被稳定储存，相比之下，在锂金属电池中，锂离子会在作为负极的锂金属表面转化为金属锂并沉积堆积。

此时，若锂不能均匀生长，而是局部生长并呈树枝状延伸，就会产生所谓的“锂枝晶（dendrite）”。锂枝晶会加速电解液分解，导致电池性能下降；严重时还会刺穿隔膜，与正极接触，引发短路（short-circuit），从而可能导致电池爆炸。

要开发以锂金属为负极材料的锂硫电池、锂空气电池等高性能下一代二次电池，抑制锂枝晶生长的技术是必不可少的。

作为对照组的锂箔与开发出的复合材料，在其表面多次重复进行锂沉积与剥离过程后，再次沉积锂所获得的沉积锂表面及截面的电子显微镜图像。可以观察到，相比于在锂箔上大量生成的锂枝晶，锂在开发的复合材料上能够较为稳定且相对洁净地沉积。

为此，研究团队首次引入了一种兼具高离子电导性且可抑制枝晶生长的材料，成功开发出一种能够使锂均匀生长、并高效传导锂离子的全新二次电池负极复合材料。

以往的复合材料制备技术多在高温等条件下，通过与锂发生反应的方式进行；而本次研究则采用了一种极为简便的方法，即将有利于传导锂离子的材料与锂金属进行物理混合来制备复合材料。

对所开发锂复合材料进行测试后发现，与普通锂金属相比，锂枝晶的生长明显减少，由此电池寿命提升了3倍以上。

在寿命提升的同时，也确保了稳定的性能。采用普通锂金属时，经过70次充放电后容量衰减率大幅增加，而采用此次开发的材料后，即便经过250次充放电，也未出现急剧的容量衰减。此外，在特定条件下，充放电速率也提升了20%以上。

研究团队将此次开发的复合材料应用于大面积软包电池进行实验，结果显示其具有稳定的充放电特性。这表明该材料在实际电池中的应用具有成功的可能性。

在对照组的一般锂负极和开发的复合材料负极表面沉积锂时，观察到锂生长形态的光学显微镜图像（上）。可以看到，在一般锂负极上生成大量锂枝晶，尺寸迅速增大（下），而在开发的复合材料上，锂以更高密度且更安全的方式堆积。

Kim Doyeob 博士表示：“围绕锂生长稳定化的锂复合体相关研究目前仍处于基础应用阶段，要实现实用化还需要后续研究”，并解释称：“我们将以本次研究成果为基础，推动与锂二次电池材料领域产业界的合作，并通过近期入选的‘Global TOP战略研究团’项目，持续开展面向实用化的核心技术开发研究。”研究团队计划将本次开发技术与“Global TOP战略研究团”项目相衔接，持续推进面向锂复合材料高性能化及大面积化的工艺技术开发。

◆二次电池入选“Global TOP战略团”课题，政府层面支持持续推进＝韩国化学研究院将牵头负责于上月31日由科学技术信息通信部下属国家科学技术研究会（NST）为推动国家出资研究机构间融合研究而实施的“Global TOP战略团”项目中获选的“市场先导型下一代二次电池创新战略研究团”。该项目的目标是：实现一次充电即可环绕韩国一周的高容量二次电池、用于未来环保航空交通工具的轻量化二次电池、不起火的二次电池、不必担心资源枯竭的非锂系二次电池，以及世界领先的工艺与设备技术等成果。韩国电气研究院、韩国科学技术研究院、韩国能源技术研究院、韩国生产技术研究院、韩国电子通信研究院、韩国机械研究院也将共同参与。