雙離子膜電位

目前便攜式電子設(shè)備、電動汽車、可再生能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的主要能源轉(zhuǎn)換和存儲設(shè)備都是鋰離子電池，但是商用鋰離子電池的能量密度低、制造成本較高，且傳統(tǒng)鋰離子電池的電極材料含有毒金屬，電池廢棄會造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。特別是當(dāng)前新能源汽車用的動力電池行業(yè)需求火爆，但目前動力電池技術(shù)仍是攔在新能源汽車發(fā)展前的一條溝壑。不論鋰離子電池組驅(qū)動的電動汽車，還是燃料電池驅(qū)動的電動汽車，都存在成本和續(xù)航里程的挑戰(zhàn)。而新型雙離子電池，初步估算，500Kg(千克)的鋁-石墨電池的續(xù)航里程可達(dá)到約550公里。與傳統(tǒng)的鋰電技術(shù)相比，這種電池具有明顯的優(yōu)勢，不僅生產(chǎn)成本降低約40%-50%，同時能量密度提高至少1.3-2.0倍。

發(fā)出基于核殼結(jié)構(gòu)鋁碳負(fù)極的雙離子電池

科技時空

近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團隊，聯(lián)合中科院物理研究所研究員谷林，研發(fā)出具有核殼結(jié)構(gòu)的鋁@碳納米球復(fù)合材料，并應(yīng)用于高效、低成本雙離子電池。這種新型結(jié)構(gòu)有效解決了鋁負(fù)極材料在充放電過程中的體積膨脹、循環(huán)性能差等問題。相關(guān)研究成果以 Core–Shell Aluminum@Carbon Nanospheres for Dual-Ion Batteries with Excellent Cycling Performance under High Rates 為題，在線發(fā)表在 Advanced Energy Materials 上。

隨著便攜式電子設(shè)備和電動汽車市場規(guī)模的發(fā)展，人們對高能量密度、低成本二次電池的需求日益迫切。目前，商用鋰離子電池多采用石墨類負(fù)極材料，其理論比容量僅為372mAh/g，且壓實密度較低，限制鋰離子電池能量密度的進(jìn)一步提升。通過與鋰離子的合金化/去合金化反應(yīng)，廉價金屬負(fù)極通常具有更大的比容量，有望獲得更高的能量密度。其中鋁的理論比容量高達(dá)2234mAh/g（Li9Al4）, 且儲量豐富，價格低廉。然而，鋁負(fù)極在電池反應(yīng)過程中會產(chǎn)生一定的體積膨脹，導(dǎo)致材料粉化，從而影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

基于上述考慮，唐永炳研究團隊研發(fā)出一種具有核殼結(jié)構(gòu)的鋁@碳納米球復(fù)合材料，并將其作為負(fù)極材料，天然石墨作為正極材料，研發(fā)出一種新型高效、低成本雙離子二次電池。相對于傳統(tǒng)鋰離子電池，該新型二次儲能電池具有更高的工作電壓（平均放電電壓為~4.2V），且環(huán)境友好。此外，由于核殼納米結(jié)構(gòu)有效緩解了鋁負(fù)極在合金化過程中產(chǎn)生的體積膨脹，并獲得了高度穩(wěn)定的SEI膜，使該電池的循環(huán)穩(wěn)定性大幅提升。研究結(jié)果表明，該新型電池在15C充放電速率下（4分鐘充放電），循環(huán)1000圈后容量保持率高達(dá)94.6%；即使在功率密度高達(dá)3701W/kg時，該電池的能量密度仍有148Wh/kg，遠(yuǎn)高于大多數(shù)商用的鋰離子電池。該成果對廉價金屬負(fù)極材料的改性研究具有指導(dǎo)意義，有望促進(jìn)基于廉價金屬負(fù)極的高能量、低成本二次電池的快速發(fā)展。

(a) 核殼結(jié)構(gòu)鋁@碳納米復(fù)合材料的設(shè)計、制備示意圖；(b)所制備雙離子電池在15C充放電速度下的長循環(huán)穩(wěn)定性曲線。

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本期責(zé)編：李林鵬