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    2017年, 第6卷, 第3期 刊出日期:2017-05-01 上一期    下一期
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    本期栏目: 特约文章  综述  研究  专利 
    特约文章
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    2017 (3):  1. 
    摘要 ( 113 )   PDF(3002KB) ( 213 )  
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    高性能锂硫电池正极材料研究进展及构建策略
    王维坤,王安邦,金朝庆,杨裕生
    2017 (3):  331-344.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0017
    摘要 ( 294 )   PDF(19075KB) ( 946 )  

    锂硫电池体系理论上存在高容量和高能量密度特点,但正极材料本身的绝缘性和放电中间产物溶解的特性使锂硫电池的理论容量难以充分发挥,循环性能也有待进一步提升。通过正极材料的改性来解决上述问题是锂硫电池研究的主要途径。本文将正极材料分为碳/硫复合材料、聚合物/硫复合材料、纳米金属化合物/硫复合材料3类,结合限硫机制进行了简要综述,列举了其中代表性的工作,评述了各类材料的优缺点,提出了实用化锂硫电池正极材料性能的评价应考虑极片载硫量、含硫量及电解液用量等条件,阐述了高性能正极材料的构建策略,指出电解液量过高是目前制约锂硫电池比能量进一步提升的关键因素,应当引起足够重视,最后展望了锂硫电池的发展方向。

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    锂硫电池复合硫正极中客体材料与多硫化物的相互作用
    唐晓楠1,2,孙振华1,陈 克1,杨慧聪1,禚淑萍2,李 峰1
    2017 (3):  345-359.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0018
    摘要 ( 217 )   PDF(23007KB) ( 751 )  

    随着人类社会对高效电化学储能器件需求的不断增加,具有高理论能量密度和低成本的锂硫电池成为下一代最具潜力的锂二次电池之一。然而,锂硫电池的实际应用仍然存在很多问题,如循环寿命短、库仑效率差、自放电等。产生这些问题的主要原因是发生在电池放电过程中的多硫穿梭效应。为了解决这些问题,国内外学者进行了大量研究,特别是在利用复合正极材料中客体碳基材料的结构设计及电极材料的功能修饰来改善电化学性能方面,取得了很大进展。本文回顾了近年来应用于锂硫电池的各种纳米结构正极材料的基础研究及技术发展,包括其制备、结构、形貌及电池性能等。根据复合硫正极中客体材料与多硫化物的相互作用,将复合硫正极材料分为物理吸附材料和化学吸附材料两大类,深入分析了作用机理及性能提高的作用规律,并在此基础上,展望了锂硫电池正极材料将来可能的发展方向。

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    锂硫电池中柔性正极的研究进展
    赵梦,许睿,黄佳琦,张强
    2017 (3):  360-379.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0013
    摘要 ( 216 )   PDF(37923KB) ( 682 )  

    随着柔性电子器件的应用受到广泛关注,与之匹配的柔性电源相关研究已成为热点。锂硫电池系统具有的高理论能量密度等优势,在高性能电子设备等器件中具有广阔应用前景。而高性能柔性锂硫电池的开发更能满足未来的柔性电子设备对柔性电源的性能需求。在柔性电池中,具有机械柔性的电极是核心组件之一,需同时实现提供电子导电骨架、离子扩散通道及活性材料载体等功能。随着纳米碳、高分子、金属泡沫等材料的引入,锂硫电池柔性正极材料领域已取得众多研究进展。本文介绍了锂硫电池及其柔性正极的特性,评述了锂硫电池柔性正极材料方面的研究进展,并展望了其未来研究方向和发展空间。

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    高性能锂硫电池正极用碳基材料的表、界面修饰
    袁华栋,罗剑敏,金成滨,盛欧微,黄 辉,张文魁,陶新永
    2017 (3):  380-410.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0036
    摘要 ( 181 )   PDF(61902KB) ( 723 )  

    锂硫电池的理论能量密度为2600 W·h/kg,是常规锂离子二次电池的3~5倍,是目前最有可能产业化的下一代二次电池技术之一,因此近年来引起了研究人员的广泛关注。然而单质硫与Li2S的低电导率、充放电过程中单质硫的体积膨胀、电化学反应中间产物多硫化锂的“穿梭效应”及最终放电产物的不可控沉积等问题降低了活性物质的利用率和电池的循环寿命,严重阻碍了锂硫电池的商业化进程。在锂硫电池正极材料的改性方法中,将单质硫与表、界面修饰的碳基材料复合制备出多功能碳/硫复合材料是提高电池性能地有效手段。本文概括综述了近几年来碳基材料的表、界面修饰及在锂硫电池正极中的应用。

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    MnO2包覆的碳纳米管-硫复合正极材料的制备及性能
    尚永亮1,王诚文1,刘 斌1,刘 军1,2,柯 曦1,2,刘丽英1,2,施志聪1,2
    2017 (3):  411-417.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0047
    摘要 ( 315 )   PDF(7926KB) ( 395 )  

    针对锂硫电池中单质硫导电性差和中间产物多硫化锂易溶解于电解液的问题,本文以多壁碳纳米管为导电骨架负载硫,再在其表面包覆一层MnO2,制备了高性能MnO2@MWCNT-S的复合材料。多壁碳纳米管可以提供电子导电路径,提高电极材料的导电性能,而表面的MnO2对多硫化物有很强的化学吸附作用,可以抑制多硫化物的溶解,从而提高活性材料利用率。通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征,发现硫均匀负载在碳纳米管上,它们的表面包覆有一层MnO2。经热重分析(TGA)测试,MnO2@MWCNT-S复合材料中硫的含量为58.4%。电化学测试结果表明,MnO2显著提高了电极材料的首次充放电比容量,并能有效地延缓多硫化物的溶解。MnO2@MWCNT-S复合材料在0.1 C倍率下,首次充放电比容量达到1148.98 mA·h/g,100次充放电后容量依然保持在560.04 mA·h/g。

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    锂枝晶的原位观测及生长机制研究进展
    沈馨,张睿,程新兵,管超,黄佳琦,张强
    2017 (3):  418-432.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0027
    摘要 ( 575 )   PDF(23995KB) ( 1192 )  
    随着人们对储能设备需求的日益增加,开发高能量密度的二次电池受到了广泛的关注。金属锂以其低密度、高理论比容量、最低的还原电势等优势成为高性能二次电池电极材料的首选。然而,枝晶生长及其随之而来的电池安全隐患和循环寿命的降低严重困扰着金属锂负极的实际应用。通过原位观测金属锂枝晶生长行为,探究其生长机理与影响因素,有助于提高金属锂电池的安全性、利用率和循环寿命。本文综述了金属锂电池原位观测方面的研究进展,总结了现有的原位实时观测装置,锂枝晶的原位观测现象以及模拟模型,最后对锂金属枝晶原位观测的下一步发展进行了展望。
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    复合隔膜在锂硫电池中的应用评述
    许 睿1,赵 梦1,黄佳琦1,2
    2017 (3):  433-450.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0012
    摘要 ( 421 )   PDF(36293KB) ( 598 )  

    电子设备和电动汽车的迅猛发展加速了社会对高比能量储能系统的需求。锂硫电池凭借其高能量密度、较低的活性材料价格和环境友好等特性受到广泛关注。然而,锂硫电池循环过程中较低的库仑效率、较高的正极容量衰减率以及不稳定的负极/电解液界面等问题仍有待解决。通过合理选择和设计复合隔膜材料,可有效改善锂硫电池中的性能缺陷,从而为锂硫电池性能提升和实用化提供新的思路。本文评述了锂硫电池中复合隔膜及隔膜修饰材料方面的研究进展,从碳材料、高分子材料、无机化合物材料等角度分别总结了复合隔膜的结构和性能特点,并讨论了锂硫电池隔膜的发展方向。

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    高比能锂硫电池功能电解质材料
    王丽莉1,叶玉胜1,钱 骥1,李 丽1,2,吴 锋1,2,陈人杰1,2
    2017 (3):  451-463.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0032
    摘要 ( 247 )   PDF(19577KB) ( 540 )  

    锂硫电池具有能量密度高、单质硫来源广泛和环境友好等优势,是新型二次电池未来发展的方向之一。作为锂硫电池中的重要组成部分,功能电解质材料的物性特征与电池的整体性能密切相关。在当前电解质材料的研究中,还存在许多关键技术难题,如多硫化物溶解于锂硫电池电解质中所引起的穿梭效应,会导致锂硫电池库仑效率低、容量衰减快和自放电严重等问题。本文综述了面向锂硫电池应用的新型功能电解质材料的研究进展:①有机液体电解质中有机溶剂组分、锂盐和添加剂的优化改性对锂硫电池性能的影响;②离子液体电解质对多硫化物扩散的阻碍作用;③固态/半固态电解质对穿梭效应的抑制,并展望了锂硫电池用功能电解质材料的未来发展方向。

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    基于硫化物固态电解质的固态锂硫电池研究进展
    孙滢智,黄佳琦,张学强,张强
    2017 (3):  464-478.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0033
    摘要 ( 462 )   PDF(22531KB) ( 663 )  
    便携式电子设备、电动汽车、智能输电网络等的发展对电化学储能系统提出了新的要求和挑战。固态锂硫电池因其高安全性和极高理论能量密度而受到广泛关注。硫化物固态电解质拥有高离子导率和优异的界面接触特性,适用于构建高性能的固态锂硫电池。本文从硫化物固态电解质的性质出发,针对正极侧高效载流子通道构筑和负极侧金属锂/电解质界面稳定性等问题,系统地阐述了基于硫化物固态电解质的固态锂硫电池研究进展,并指出未来的研究关键和重要发展方向。
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    基于聚合物电解质固态锂硫电池的研究进展和发展趋势
    石 凯,安德成,贺艳兵,李宝华,康飞宇
    2017 (3):  479-492.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0025
    摘要 ( 303 )   PDF(15653KB) ( 970 )  

    固态锂硫电池中通过固态电解质代替传统液态电解质,有望同时解决多硫化物溶解和穿梭、锂枝晶生长、锂硫电池安全性差等重要科学和技术难题。然而固态电解质存在室温电导率低、电解质/电极界面相容性差等缺点,阻碍了固态锂硫电池商业化发展。本文以固态聚合物电解质解决锂硫电池中关键问题为出发点,综述了凝胶聚合物电解质、全固态聚合物电解质以及复合电解质在锂硫电池上的应用现状;并结合理论模型和微观机理,详细地阐明了固态聚合物电解质离子电导机制及其对多硫化物穿梭和锂枝晶生长的抑制作用,系统地总结了固态聚合物电解质在锂硫电池应用中所存在的问题和未来的重点发展方向。

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    水系黏结剂琼脂在锂硫电池中的应用
    唐 振,熊传溪
    2017 (3):  493-499.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0022
    摘要 ( 196 )   PDF(6098KB) ( 483 )  

    水系黏结剂一般采用水作为溶剂,因其环境友好、成本低、使用安全等优点受到研究者的广泛关注。琼脂黏结剂在室温下几乎不溶于水导致正极浆料的配置无法进行,因此本工作采用H2O2作为氧化剂,将琼脂(AG)的羟基部分氧化成羧基,氧化后的琼脂(M-AG)在室温下易溶于水,并且羧基的存在对多硫化锂具有一定的吸附作用,在充放电过程中抑制了多硫化锂的“穿梭”,提高了锂硫电池的稳定性。将M-AG应用于锂硫电池黏结剂中具有很好的黏结性能,能够保持活性物质、导电剂和集流体之间良好的接触。电化学性能表明,M-AG不参与锂硫电池中的电化学反应,在充放电过程中能够保持电极结构的稳定。在0.1 C恒流充放电条件下,相对于传统的PVDF黏结剂,M-AG作为黏结剂时,具有更高的活性材料利用效率(首次放电比容量为700 mA·h/g)和容量保持率(100次循环后容量保持率高达90.7%)。

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    第一性原理计算在锂硫电池中的应用进展评述
    陈翔,侯廷政,彭翃杰,程新兵,黄佳琦,张强
    2017 (3):  500-521.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0031
    摘要 ( 415 )   PDF(26945KB) ( 793 )  

    与传统的锂离子电池相比,锂硫电池具有高能量密度而被认为是一种理想的下一代储能器件。但多硫化物的“穿梭效应”、电解质的不稳定、金属锂枝晶的生长等问题严重阻碍了锂硫电池的实际应用。第一性原理计算等理论研究方法的兴起,促进了对锂硫电池关键科学问题的理解及其实用化进程。本文基于密度泛函理论、Hartree-Fock方法、从头算分子动力学模拟等广泛应用的理论方法,综述了第一性原理计算在锂硫电池正极、电解质、负极中的具体应用以及对解决锂硫电池关键科学问题的作用,并阐述了其未来在锂硫电池研究领域的发展空间。

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    应用于锂硫电池的原位紫外光谱分析测试
    许 娜,王梦凡,钱 涛,晏成林
    2017 (3):  522-528.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0024
    摘要 ( 222 )   PDF(8659KB) ( 496 )  
    锂硫电池因其成本低、循环寿命长、能量密度高以及环境友好等特点,成为了最具有前途的下一代能源系统。然而,诸多问题限制了锂硫电池的实际应用,如因高溶解度的长链多硫化物所引起的穿梭效应导致容量的极速衰减以及较低的库仑效率。紫外光谱分析可以快速、准确地测定循环过程中产生的多硫化物,因此在锂硫电池分析中有着重要的作用。本文阐述了最新应用于锂硫电池的原位紫外分析技术及对锂硫电池充放电过程中产生的多硫化物定性及定量的分析方法。
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    锂硫一次电池的研究现状及展望
    陈雨晴1,2,张洪章1,3,于 滢1,2,曲 超1,李先锋1,3,张华民1,3
    2017 (3):  529-533.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0020
    摘要 ( 229 )   PDF(5146KB) ( 554 )  
    锂硫(Li-S)一次电池是以金属锂和单质硫作为活性物质的化学电源,可以作为一次电池的一个独立分支。锂硫一次电池具有质量比能量和体积比能量高、续航时间长、成本低廉、安全性好等优势,规避了锂硫二次电池在循环寿命和自放电率等方面的劣势,可以作为消费类电子产品电源、备用电源和动力电源等进行使用。本文从实际应用的视角,对Li-S一次电池的研究现状和未来发展前景进行评述,希望能将更多的关注引向这一新的研究领域。
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    高容量锂硫电池近期研究进展
    张魏栋,范 磊,朱守圃,陆盈盈
    2017 (3):  534-549.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0035
    摘要 ( 229 )   PDF(23039KB) ( 709 )  

    传统的锂离子电池受其理论容量所限,不能满足新兴高能量密度储能器件的需求。锂硫电池因其高理论比容量(1673 mA·h/g),是传统锂离子电池的4倍左右,近年来广受世界各国研究者的关注。针对锂硫电池中活性物质硫单质电子、离子电导率低、充放电过程中多硫化物溶出、体积变化大等棘手问题,近年来,科研工作者不断对正极材料结构、负极、电解液、隔膜进行改进,旨在抑制多硫化物穿梭效应,提高活性物质利用率,克服充放电过程中的巨大体积变化,提高电池安全性及循环寿命。本文综述了近年来最新的锂硫电池进展,分析了近年来新发展的极性-极性相互作用吸附多硫化锂、人工SEI保护锂金属负极、新型电解液和隔膜抑制多硫化锂穿梭等突破性技术,展望了锂硫电池未来的发展方向。

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    高体积能量密度锂硫电池的构建:材料和电极
    张 辰1,刘东海2,吕 伟 3,凌国维1,杨全红2,3
    2017 (3):  550-556.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0026
    摘要 ( 202 )   PDF(10422KB) ( 634 )  
    锂硫电池的出现为高能量密度储能器件的发展提供了机遇,但硫的固有性质也给锂硫电池的性能突破造成瓶颈。碳纳米材料显著改善了硫正极的性能,然而从器件层面上,锂硫电池的能量密度,特别是体积能量密度还远低于预期。高硫含量、致密化硫/碳复合电极设计是解决这一问题的关键,从材料设计出发,实现材料致密化、电极厚密化和器件轻薄化,是未来锂硫电池实现高体积能量密度储能的原则。本文讨论了实现锂硫电池致密储能的研究策略,提出液相组装是实现材料致密化的有效途径,评述了高性能硫/碳复合材料的研究进展,并对锂硫电池致密储能在航天、海洋探测等领域的应用前景进行了展望。
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    综述
    全固态锂硫电池的研究进展
    高 静1,2,任文锋1,陈 剑1
    2017 (3):  557-571.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0037
    摘要 ( 319 )   PDF(14800KB) ( 1077 )  
    以金属锂为负极、单质硫为正极活性物质的锂硫电池的理论比能量为2600 W·h/kg,是全部由固态活性物质组成的、比能量最高的一种二次电池。硫和锂储量丰富、成本低廉。采用固态电解质的全固态锂硫电池能够明显提高电池的安全性并有望提高电池的循环性能,已成为储能电池技术研究和开发的热点。本文综述了近年国内外的全固态锂硫电池的研究进展,从固体电解质、硫基正极、锂基负极、“电极/电解质”界面、固态电池制备方法等方面分别进行了综述,并对全固态锂硫电池未来的发展方向和发展前景进行展望。
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    锂电池百篇论文点评(2017.2.1—2017.3.31)
    陈 彬,武怿达,詹元杰,陈宇阳,王 昊,赵俊年,金 周,张 华,俞海龙,贲留斌,黄学杰
    2017 (3):  572-583.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0046
    摘要 ( 234 )   PDF(13756KB) ( 651 )  
    该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2017年2月1日至2017年3月31日上线的锂电池研究论文,共有2196篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。负极材料研究侧重于硅基负极和金属锂负极,电解液添加剂、黏结剂、固态电解质、固体锂电池、锂硫电池、锂空气电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池、电极结构进行分析的研究论文。
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    研究
    商用Li4Ti5O12电池倍率循环容量衰减模型
    王 昊1,俞海龙1,金 翼2,王绥军2,郭晓君3,肖修昆4,黄学杰1
    2017 (3):  584-589.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0108
    摘要 ( 259 )   PDF(5105KB) ( 476 )  
    Li4Ti5O12(LTO)负极材料由于其优异的循环稳定性和安全性近年来得到广泛关注,并在电网储能领域具有巨大的应用前景,被视为下一代电网储能用负极材料。研究LTO电池的寿命模型有助于更好的设计能量存储单元,并推动LTO在储能领域中的应用。本文通过测试商用软包LTO基锂离子电池(标称容量10 A·h,额定电压2.2~3.5 V)在不同倍率下循环4800次的容量衰减,建立充放电倍率与容量衰减的对应关系。实验将每600次循环设为一个节点,通过在节点进行多电流密度标定从而实现分离电池的不可逆容量以及极化造成的容量损失。并利用试验数据, 采用拟合、回归的分析方法,分别建立极化容量损失和不可逆容量损失两个电池衰减模型,该模型可用于预测LTO基电池剩余循环容量。
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    不同温度对PVDF-HFP基多孔聚合物电解质膜孔结构及性能的影响
    陈淑花1,刘学武2,冯铁柱2,王晓娟2
    2017 (3):  590-595.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0195
    摘要 ( 296 )   PDF(9286KB) ( 277 )  
    采用非溶剂挥发法制备了锂离子电池聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)基多孔聚合物电解质膜,研究了非溶剂乙二醇不同温度下挥发对多孔聚合物电解质膜孔结构及性能的影响。扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热法(DSC)、拉伸测试和交流阻抗法等测试手段分别对制备的聚合物电解质膜的微观形貌、结晶度、机械强度和室温离子电导率进行表征。结果表明,非溶剂乙二醇挥发温度对多孔聚合物电解质膜的物理和电化学性能影响显著;温度较低时,无法成膜;温度较高时,膜截面呈蜂窝状的大孔结构;当温度从60 ℃升至100 ℃时,拉伸强度从6.49 MPa增至21.39 MPa,室温离子电导率从1.07 mS/cm降至0.14 mS/cm。综合分析,利用非溶剂挥发法制备PVDF-HFP基多孔聚合物电解质膜,非溶剂乙二醇挥发温度选在70~90 ℃之间较为合适。
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    专利
    锂离子电池三元材料专利技术分析
    余志敏,周述虹,阎 澄,张 健
    2017 (3):  596-604.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0098
    摘要 ( 228 )   PDF(6410KB) ( 545 )  
    锂离子电池三元系层状正极材料即LiNi1-x-yCoxMnyO2,相对于单一组分层状材料如钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂,具有放电容量大、循环性能好等优点,是具有良好应用前景的正极材料之一,特别是在全球新能源产业持续发展的环境下。为了解锂离子电池三元材料专利技术在世界范围以及中国的发展情况,以德温特世界专利索引数据库(DWPI)和中国专利文摘数据库(CNABS)的检索结果为基础,对三元材料专利申请量趋势、制备方法及技术功效、重要申请人、技术发展路线及三元材料核心专利做了详细分析。结果表明,三元正极材料在全球范围及中国的专利申请量持续增加,但国外来华申请量并没有明显增长;国内三元材料发展起步晚,基础和核心专利欠缺,与日韩企业还具有较大差距;在制备方法上的专利申请主要为共沉淀法和固相法;围绕三元材料的改性主要为提高电化学性能,但安全性和成本问题没有得到有效突破。基于上述分析,对我国在三元材料领域的专利布局提出一些参考建议。
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