《德國應用化學》封面文章:北大設計出高工作電壓及倍率性能的水系K-Na混合離子電池

2021-01-21 材料人

作為一種能滿足規模儲能需求的新型電池體系，可充電水系金屬離子電池因具有高安全性，低成本和環境友好等優勢，近二十年來在能量存儲領域引起了較為廣泛的關注。但受限於電解液電壓窗口較窄、電極材料溶解性等問題，已報導的可用於水體系的電極材料數量依然有限，因此，在開發高性能電池體系的同時，如何擴大電極材料的適用性以滿足實際應用需求是目前研究的一個重大挑戰。


Angewandte Chemie International Edition, 03 May 2018


北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授牽頭的清潔能源中心的李銳課題組最近設計了一種具有高工作電壓及倍率性能的水系K-Na混合離子電池。該電池由鉀基普魯士藍（K2FeFe(CN)6）正極材料和碳包覆的磷酸鈦鈉（NTP / C）負極材料組成，兩種電極材料均表現出明顯的陽離子選擇性——前者在充放電過程中優先脫嵌半徑較大的K+，後者則對Na+表現出單一選擇性，研究還發現作為負極材料的NTP/C還具有超快的鈉離子傳導特性。將上述兩種具有獨特離子選擇性通道和快速傳輸性能的材料組合後得到的混合離子電池表現出了優越的性能，0.5 C電流密度下，按正極材料活性物質質量計算，容量可達160 mAh g-1。這一電池還表現出可觀的倍率性能和循環性能，電流密度高達60 C條件下，循環1000圈後仍具有94.3%的保持率。同時，隨著工作電壓的有效提高，該電池還實現了可與鉛酸、鎳鎘和鎳氫電池相媲美的高能量密度—基於活性電極材料總質量達到69.6 Wh kg-1。與此前基於鹼金屬（Li/Na/K）的水系混合離子電池性能比較後發現，該電池體系在工作電壓、能量密度、倍率性能等多方面均具有較好的表現。此外，這種將具有不同離子選擇性的電極材料結合的混合離子電池設計思路也為擴大水系二次離子電池適用性提供了很好的借鑑。


混合離子電池倍率性能及原理示意圖


  

與已報導混合離子電池性能比較圖


該研究成果近期發表於《德國應用化學》，題為 「Engineering Fast Ion Conduction and Selective Cation Channels for High-Rate and High-Voltage Hybrid Aqueous Battery」 （Angew. Chem. Int. Ed. 2018. DOI:10.1002/anie.201800479）的封面文章，被ChemistryViews.org作為亮點Highlight推薦。該工作由新材料學院李銳副研究員、中科院物理所薛面起研究員指導，16級碩士研究生劉春怡完成。


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