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电子学院/现代工学院宋虎成副研究员和周豪慎、徐骏教授团队合作开发出首款在超低温下工作的高比能全固态锂离子电池
发布时间:2020-03-28 16:22

作为新能源汽车生命线的动力电池由于短路造成的起火、燃烧等安全问题一直是横跨在 新能源汽车发展道路上的“绊脚石”。全固态锂离子电池的出现为发展安全、超高比能的动力 电池带来了新的曙光。相比于传统基于液态电解质的锂离子电池,全固态锂离子电池主要有 以下优势:1) 超高能量密度:基于金属锂负极的全固态锂离子电池能够满足未来新能源汽 车用动力电池 500 Wh/kg 的能量密度要求。2)安全:电池中的固态电解质能够有效防止电 池的短路,起火燃烧。当前科研人员开发的全固态电池即使在针刺、裁剪后也能够安全工作。 3)超宽的温度操作范围:全固态电池,特别是基于无机陶瓷膜电解质的全固态电池,能在 50℃至 120℃的范围内有效工作,且其性能随着温度升高而变好。

但是,固态电解质、电解质界面及电极材料中低的离子传输使得全固态电池,特别是全固态锂-空气电池,难以在零摄氏度以下有效的工作,因而限制了全固态电池的应用。

基于此,南京大学电子学院与现代工学院科研团队基于前期在太阳能光热转换方向的研 究和全固态锂离子电池方面的积累合作提出了太阳能光热电池 (Solar Photothermal Battery, SPTB)技术来解决全固态电池在低温下电荷传输和存储的关键问题。相关成果于 2020 年 3 月 2 日 以 题 为 “Solar-driven all-solid-state lithium–air batteries operating at extreme low temperatures” 发表在 能 源 类 学 术 期 刊 Energy & Environmental Science (doi : 10.1039/c9ee04039k)上。 如图 1(a), (b) 所示,作者设计了具有等离激元效应的空气正极来高效地俘获太阳光并 将其转换成热来提高电池在超低温下的电荷传输和存储。 所制备的空气电极包括电子导电 的碳纳米管,离子导体的 LAGP 电解质及杂化的 Ru 纳米催化剂组成(图 1c)。 紧密地包覆 在多孔空气正极表面的 Ru 催化剂由零维 Ru 纳米颗粒,一维 Ru 纳米棒和正八面体的 Ru 杂 化而成(图 1d)。该正极能够高效俘获 200 nm 到 2500 nm 波段的太阳能,吸收率超过 95%, 并能高效地将其转换成热。因此,即便是在超低温环境中也能确保电解质/电极材料内实现 有效的电荷存储和输运。

图 1. (a) 太阳能光热全固态锂空气电池的结构示意图。(b) 模拟太阳光源(Xe-lamp) 辐照下空气电极上光诱 导热分布图。(c) 溅射有 Ru 纳米结构的空气极的 SEM 图。(d)Ru 纳米结构的透射电子显微镜图。

图 2.(a) 室温模拟太阳光辐照下电池表面的光诱导的热分布。(b)电池在室温模拟太阳光辐照过程中电池阻 抗谱的变化。(c) 电池在-73℃下光辐照过程中电池及组件上温度的变化。(d) 在-73℃下光辐照过程中电池 电化学阻抗的变化

在光辐照过程中,光诱导的热有效地提高了电荷在电解质/电极材料中的传输及存储, 从而使得电池阻抗得到约两个数量级的减小(如图 2d 所示,光照射下,该电池在-73oC 时的 阻抗由~ 105 Ω cm2降低至~ 103 Ω cm2 )。且能够释放出~3600 mAh g-1的容量,并在室温和- 73oC 下均展示出了杰出的循环性能(图 3b, 3c)。即使将电池的辐照光强度降低到户外标准光 照轻度下(一太阳光,AM 1.5,1 kW m-2),该电池依然 500 mAh g-1的比容量 (图 3d)。相比较于已经报到的低温电池,作者设计的太阳能光热电池无论是在操作温度,充放电比容量, 电流密度,循环寿命,还是在容量保持率方面均展示出极大的优势。

目前,该团队正在开发长循环寿命,且能够在超宽温区范围(如-120℃到 120℃)范围工 作的高比能固态锂离子电池。这种能在超宽温区操作的高比能固态储能器件将会极大地拓展 锂离子电池的应用领域(如从超低温的航空航天,大飞机到高温医疗设备方面)。

图 3.(a)室温及-73℃下全固态锂空气电池在加光和未加光对应的首圈充放电曲线。(b)、(c)模拟太阳光 辐照的全固态锂-空电池在室温及-73℃下的循环性能。(d)氙灯(~6 sun)及 1 个太阳辐射下全固态锂空气电 池在-73 oC 下的首全充/放性能。(e)与文献报道的典型低温电池的性能比较。

南京大学为论文的第一完成单位,电子学院/现代工学院宋虎成副研究员为论文的第一 作者。电子学院徐骏教授与现代工学院何平教授、周豪慎教授为论文的共同通讯作者。博士 生王胜负责了电池的封装和电化学测试等部分。本工作得到了南大现代工学院韩民教授、周 林副教授,电子学院余林蔚教授、陈坤基教授,浙江师范大学黄仕华教授及盐城工学院王珏 老师的大力支持。工作获得了国家重点研发计划项目、国家博士后创新人才支持计划、国家 自然科学基金重点、优青、面上、江苏省杰青和江苏省青年基金的支持。该工作获得了创新 研究群体和南京大学卓越计划的支持。此外,还得到了南京大学固体微结构物理国家重点实 验室开放课题以及人工微结构科学与技术协同创新中心等平台的大力支持。

文章链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/ee/c9ee04039k

相关工作:

1. Ultra-fine surface solid-state electrolytes for long cycle life all-solid-state lithium–air batteries. Sheng Wang, Jue Wang, Jingjing Liu, Hucheng Song,* Yijie Liu, Pengfei Wang, Ping He,* Jun Xu and Haoshen Zhou * J. Mater. Chem. A, 2018, 4, 22976.

2. Omnidirectional and effective salt-rejecting absorber with rationally designed nanoarchitecture for efficient and durable solar vapour generation. Xiaoying Song, Hucheng Song*, Ning Xu, Huafeng Yang, Lin Zhou, Linwei Yu, Jia Zhu, Jun Xu* and Kunji Chen, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 22976.

3. Enhancement of solar vapor generation by 3D hierarchical heat trapping structure. Xiaoying Song, Hucheng Song*, ShengWang, Jingjing Liu, Lin Zhou, Jun Xu*, Kunji Chen, J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26496

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