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我校研究团队为发展高可靠性、高能量密度新型电池提供新思路

时间:2021-03-12   来源:化工学院   精细化工国家重点实验室   

近期,能源领域旗舰期刊《Energy & Environmental Science》以“A quasi-solid-state rechargeable cell with high energy and superior safety enabled by stable redox chemistry of Li2S in gel electrolyte”为题刊载我校精细化工国家重点实验室、化工学院研究进展,报道了一类兼具高能量密度和高安全性的准固态可充电锂离子电池新体系。文章第一作者为精细化工国家重点实验室、化工学院博士研究生孟祥玉,通讯作者为精细化工国家重点实验室、化工学院王治宇、邱介山教授。

发展高能量、高安全性的电能存储技术与是当今世界发展低碳经济、改善生态环境、缓解能源危机的重大战略需求。锂离子电池是综合性能最好的储能与动力电池体系之一,但传统嵌锂金属氧化物正极不仅极大限制电池能量密度,其晶格释氧反应造成的电池胀气、热失控等问题更显著制约了电池的寿命与可靠性。利用高比容量的金属锂负极可将锂离子电池的能量密度提升数倍,但金属锂枝晶生长造成的电池短路、性能快速衰减等难题也使其实际应用遥遥无期。

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图1.基于硫化锂正极、硅负极与聚合物凝胶电解质的准固态锂二次电池在(a)内、外部短路、(b)过热、(c)剪切后空气静置、(d)穿刺、(e)剪切暴露空气、(f)剪切浸水等滥用条件下的安全性评估

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图2.导电吸附-催化双功能活性位点对锂硫可逆氧化还原反应促进机制的原位分析

针对现有锂离子电池体系在能量密度与安全性上的瓶颈,王治宇、邱介山教授团队利用凝胶电解质中硫化锂正极与硅负极之间的稳定多电子氧化还原反应,在实现高能量密度(506-802 Wh kg-1)的同时,从原理上根除了高活性金属锂负极或释氧正极对电池寿命与安全性的影响,发展了一类具有本质安全性的高能量准固态锂离子电池新体系。获得的软包电池在过热、内/外部短路、机械穿刺/切割及水/氧破损等滥用条件下均具有良好的稳定性,且可在-20至60oC宽温区内正常工作。在联用原位紫外光谱、原位X射线衍射及原位电化学阻抗谱深入理解揭示其多硫化物介导反应机理基础上,发展了限域空间内构建导电吸附-催化双功能活性位点,提升电池在低离子迁移率凝胶电解质中氧化还原反应效率的有效策略。此项工作为弥补二次电池安全性与能量密度之间的鸿沟,发展高可靠性、高环境适应性的新型电池提供了新的思路,在载人交通工具、空间技术、植入医疗等对储能技术安全性、可靠性需求突出的领域极具应用前景。

工作得到了国家自然科学基金会、辽宁省科技厅、大连市科技局、CC宝娱乐的共同资助支持。

责任编辑:秦博昱