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  • 默克生命科學|默克清潔能源解決方案強勢來襲

    默克清潔能源

    默克清潔能源電池解決方案覆蓋鋰電池、燃料電池、太陽能電池以及儲氫材料。在鋰電池的研究工作中,我們會提供高質量的電池級別的電極材料、電解質材料。在燃料電池的研究工作中我們會向客戶提供固態氧化物燃料電池所需的電極、電解質、催化劑等材料,以及質子交換膜燃料電池所需的膜等材料。在太陽能電池的研究工作中我們會向客戶提供量子點、鈣鈦礦太陽能電池研發所需的材料。在儲氫方向,我們會向客戶提供復雜金屬氫化物、儲氫合金等材料。

    鋰電池材料新品上線!

    默克目前的研發工作主要致力于電池材料研究和應用市場兩大領域。近期我們為我們的科研用戶推出了以下適用于鋰電池研發創新性產品:包括4款快速充放電的石墨烯復合材料、高容量硅復合材料、4款即用型試劑、6款性能增強試劑

    默克清潔能源


    2.1 
    化學拋光試劑

    對于我們的性能增強試劑,我們有一種化學拋光試劑,可以使鋰金屬表面光滑并去除天然表面雜質。用這種溶液處理過的鋰金屬已被證明可以提高鋰電池的循環壽命和性能。使用該試劑來處理鋰箔,無需刮擦,即可提供干凈的鋰表面,可以提高半電池的質量和有效的測試時間。

    2.2快速充放電的石墨烯復合材料

    聚蒽醌硫醚(PAQS)是一種用于新一代儲能器件的新型有機材料。 PAQS-石墨烯納米復合材料利用石墨烯優異的導電性和高比表面積,解決了PAQS的電子絕緣問題,并且進一步提高了其在儲能應用中的利用率。由于PAQS比無機材料具有更快的氧化還原動力學、高安全性、靈活性和易加工性,PAQS 可以成為可充電電池和超級電容器應用的潛在高功率電極材料。

    2.2.1項目概述

    通過與威斯康星大學密爾沃基分校的合作,我們的研發科學家開發了用于鋰離子電池的快速充電石墨烯納米復合材料(如下表所示)。聚合物/石墨烯復合材料的可行性已在具有液體電解質的傳統電池和新興的全固態電池中得到驗證。

    2.2.2 合成策略及產品特性

    我們的合成策略在石墨烯上產生了一層均勻的聚合物電池材料涂層,該涂層具有多孔結構和高表面積,這些特征可以在以上 SEM 圖像中看到。而我們也可以看到由該復合材料具有高充電效率,可調電壓、無毒、可量產的特點。

    可穿戴電子產品——電池相關的重點領域

    目前,隨著可穿戴電子產品市場的興起,對電池的研發也提出了新的挑戰??纱┐麟娮赢a品需要開發出下一代的柔性電池,以滿足機械性能、能量密度、循環壽命、安全性等新的市場需求。默克材料科學根據客戶需求,試圖通過自身的電池材料的研發,以滿足客戶高重復性、良好的性能測試通過率,與現有制備方法兼容等需求。我們將通過改進電池設計當中陰極材料、電解質、隔膜材料已提高柔性電池的性能表現.

    3.1電池陰極-少層石墨烯墨水的應用

    首先默克提供石墨烯增強復合材料作為電池的陰極,以增加電池電導率、提高充電率、提高循環壽命。

    我們通過與 西北大學Mark Hersam 教授合作證明,將含有少層石墨烯墨水的乙基纖維素可與活性正極材料組合使用,從而以提高電池性能。

    793663 是一種納米鋰錳氧化物 /石墨烯復合陰極。石墨烯墨水實現了更好的填充密度,這有助于提高電池循環(充電和放電)時的穩定性,從而提高電池的使用壽命。 這是因為添加了石墨烯,石墨烯作為一種導電添加劑,與普通的鋰錳氧化物相比較,有助于更快的反應動力學

    默克清潔能源


    當少層石墨烯墨水與納米尺寸的鋰錳氧化物混合時,退火電極可以成功地抑制錳溶解到電解質中,并顯著提高半電池和全電池配置中電池性能的穩定性
    /可循環性,可以參照下方左上的兩個圖。 這主要是由于高質量的少層石墨烯和分解的乙基纖維素在復合電極內形成互連的 SP2 碳網絡的協同效應。與純納米鋰錳氧化物的對照相比,這種相互連接的導電通路還降低了電池阻抗,并使電池能夠以更高的速率保持更高的容量,可以參照下方右上圖。 此外,如下方底部兩張圖所示,與使用純納米錳酸鋰電極的對照相比,這種復合電極還大大改善了鋰離子電池的低溫性能。

    默克清潔能源


    1、
     
    抑制錳溶解到電解質中,提高半電池和全電池測試的穩定性

    2、 實現(更低的阻抗,循環后的最小 SEI)更高的速率性能

    3、 實現低溫性能Nano Letters, 17, 2539 (2017).

    3.2電池陰極隔膜 & 電解液

    除了創新的陰極材料,Merck也為固態電池提供創新的材料解決方案.相比較傳統電池,固態電池具有更高的熱穩定性、更簡單的架構、更容易組裝、更加安全的優點。但是固態電池也面臨著離子傳導性差、與電極的不良界面、充電速度慢等問題.

    對于下一代鋰離子電池,迫切需要開發出操作更安全、組裝更容易、熱穩定性和化學穩定性更好的全固態電池。 該研究領域的關鍵挑戰是開發高性能的固體電解質材料(主要問題是低離子電導率和高界面電阻以及材料的可加工性)。

    以下列出了已探索的固體電解質材料及其離子電導率以及優缺點:無機結晶態的材料有較高的離子電導率、但界面電阻相對較高,無機玻璃態的材料則通過濺射、CVD、ALD等方式易于制造,但成本相對較高,粒子電導率低,有機材料則可以通過溶液合成,工藝簡單,但離子電導率較低。

    3.2.1 用于高溫鋰離子電池隔膜的二維納米材料

    通過與 Mark Hersam 教授的技術平臺的合作。 我們開發、制造出具有可調粘度的剝離六方氮化硼墨水(簡稱hbn),可以用于不同的涂層技術,例如低粘度噴墨印刷、高粘度直接墨水書寫或刮刀涂層。

    Advanced Functional Materials, 29, 1902245 (2019).

    MilliporeSigma已上線新品產品目錄# 901410 (噴墨), 901349 (刮刀可涂)

    使用可刮涂的 hBN/乙基纖維素墨水和”PVDF 粘合劑,我們能夠制造出可用作鋰離子電池隔膜的多孔 hBN薄膜。 與常用的鋰離子電池隔膜相比,hBN/EC薄膜不僅可以承受更高的工作溫度,而且對大多數電解質的潤濕性也更好。

    3.2.2高機械強度的離子凝膠電解質極其特性

    通過將離子液體混合到固體基質中制成的復合材料,這些離子凝膠通常是可溶液加工生產的并且具有高離子電導率。 然而,缺點是它們的機械性能差。

    我們開發了一種機械強度較高的離子凝膠電解質,即利用剝離的 hBN 作為固體基質。 剝離的 hBN 因其絕緣性質、高熱穩定性和化學穩定性而成為很好的候選材料,并且由于其低維特性而顯著改善了機械性能。利用剝離的 hBN 作為固體基質可以改善離子凝膠電解質機械性較差的問題。

    在這種情況下,乙基纖維素添加劑熱分解成富含 SP3 的碳涂層(而不是石墨烯存在時的 SP2),它是絕緣的,并進一步增強了所得離子凝膠的機械性能。 如下圖所示,測得的這種離子醇凝膠的機械性能大約是用塊狀、非剝落氮化硼制成的離子醇凝膠的 100 倍。 這種離子醇凝膠還提供了較高離子電導率。

    3.2.3離子凝膠電解質的特性

    3.2.3.1高循環穩定性

    由于這種較高機械性,用這種 hBN 離子凝膠電解質制成的鋰離子電池在 0.1C  個月顯示出高穩定性和可循環性。

    但是當離子凝膠太厚(達到約 100 微米),充放電速率很低,目前我們一直在通過我們最近的研究開發更薄的凝膠電解質,并且使用這種類型的離子凝膠大大提高電池的充放電速率性能表現。

    3.2.3.2高電壓穩定性

    hBN 離子凝膠電解質還顯示出與 LNMO 等高壓正極材料的相容性,這是由于 hBN 離子凝膠的高化學/電化學穩定性。

    3.2.3.3離子凝膠可實現高溫和高速率

    此外,hBN 凝膠在 175攝氏度  10C速率下均展示了穩定的鋰離子電池性能。這表明離子凝膠可以實現高溫高速率充放電。

    4. 固態電解質材料

    除了以上極富創造力和想象力的新型鋰電池材料以外,默克也推出了新的高純度、細粒度、通過嚴格的測試、可以對電池研發應用進行優化的高品質固態電解質材料

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