AEnM:水系鋰、鈉離子電池SEI膜的原位構建

2020-12-06 騰訊網

隨著太陽能、風能等清潔能源大規模推廣，儲能電池的需求越來越多。鋰離子電池由於較高的能量密度和環境友好的優勢，大量用於儲能電站。但是有機電解液的使用，使其規模化應用存在一定的安全隱患。鉛酸電池具有安全性高、成本低的優點，通過摻碳電池壽命可達5000次，能量密度達到40瓦時/千克，廣泛應用於儲能系統，但是其存在一定的環境汙染缺陷。因此，安全性高、無汙染的綠色水系金屬離子二次電池非常適用於儲能系統。

自從1994年加拿大科學家Dahn首次報導一種LiMn2O4/VO2水系鋰離子電池以來，研究人員報導了多種水系鋰離子電池例如：LiCoO2/LiV3O8，LiMn2O4/LiV3O8，LiMn2O4/TiP2O7，LiMn2O4/LiTi2(PO4)3， LiFePO4/LiTi2(PO4)3等。然而，水系電解液電化學穩定窗口窄（1.23V），限制了電極材料的選擇以及電池工作電壓，導致水系離子電池能量密度較低。Wang 等人報導了一種雙三氟亞胺鋰超高濃度水溶液作為電解液（21mol/kg），雙三氟亞胺陰離子基團參與形成鋰溶劑化層在電極材料表面發生電化學還原反應生成SEI膜將電解液電化學穩定窗口拓寬至3.0 V以上。

江蘇理工學院錢逸泰、侯之國課題組提出一種新思路：向電解液中添加具有強配位能力的有機分子，參與形成新型[Li(H2O)x(organic)y]+溶劑化層結構，有機分子的電化學穩定窗口比水分子更窄，在電極表面先於水分子發生電化學氧化還原反應，反應產物沉積在電極材料表面形成SEI膜。SEI膜的形成使得電解液電化學穩定窗口拓寬至3.0 V。該策略不僅適用於水系鋰離子電池體系，而且也適用於水系鈉離子電池體系。通過向電解液中添加尿素，LiMn2O4/Mo6S8水系鋰離子電池工作電壓達到2.1 V 循環壽命達到2000次。此外，採用Na3V2(PO4)3作為電極材料組裝的對稱水系鈉離子電池工作電壓1.7 V，循環壽命達到1000次。

該研究策略也可適用於其他金屬離子電池體系，比如水系金屬鋅離子電池體系等。研究者相信，此項研究將會為水系離子電池電研究打開一扇新的窗戶。並且該策略方法簡單，使用的原料來源廣泛，價格低廉，能夠有助於推動水系離子電池的實際應用。相關論文在線發表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903665)上。

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