物理所發現高能量密度鋰電池新策略,全電化學活性全固態鋰電池

高能量密度是儲能器件未來的重要發展方向,鋰離子電池作為一類性能優异的儲能器件在過去的幾十年中大放异彩。然而,現時傳統鋰離子電池正極資料的能量密度已經逼近理論值,如何進一步提升能量密度成為了全世界範圍關注的研究熱點。全固態金屬鋰電池作為下一代高能量密度主流科技方案受到研究人員廣泛關注。

高能量密度是儲能器件未來的重要發展方向,鋰離子電池作為一類性能優异的儲能器件在過去的幾十年中大放异彩。然而,現時傳統鋰離子電池正極資料的能量密度已經逼近理論值,如何進一步提升能量密度成為了全世界範圍關注的研究熱點。

全固態金屬鋰電池作為下一代高能量密度主流科技方案受到研究人員廣泛關注。理論上電池器件的能量密度在資料層面由其理論能量密度决定,但是在電極層面由於需要引入大量非活性成分(電解質,導電添加劑和粘合劑)用於保障電極資料離子和電子輸運能力從而使得電極資料層面的能量密度通常小於資料理論能量密度,在全固態電極中二者差距進一步擴大。囙此如何在電極層面上充分發揮資料的理論能量密度被視為一個重要的研究方向。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源實驗室E01組博士生李美瑩在陳立泉院士和索鎏敏特聘研究員指導下與美國麻省理工大學李巨教授合作,首次提出採用全電化學活性電極構建全固態電池的新思路。通過採用高電子-離子混合導電活性物質作為正極實現100%全活性物質全固態電極,與金屬鋰負極搭配,構建出高能量密度全活性物質全固態電池,在該類新型全固體金屬鋰電池中資料層面的能量密度可以在電極層面得到了100%發揮。

全電化學活性全固態電池概念最先在一系列具有電化學活性的高離子-電子過渡金屬硫化物資料中實現,並通過與高容量硫正極複合,在電極層面上實現了770Wh/kg和1900Wh/L的能量密度(商用鈷酸鋰電極層面上的能量密度為480 Wh/kg和1600Wh/L)。預計未來隨著更多新型全活性固態電極發現,有望進一步提升全固態電池能量密度,從而最終實現高能量密度高安全的全固態鋰電池。

該研究結果近日發表在《Advanced Materials》上,題為:Dense all-electrochem-active electrodes for all-solid-state lithium batteries,Meiying Li,Tao Liu,Zhe Shi,Weijiang Xue,Yong-sheng Hu,Hong Li,Xuejie Huang,Ju Li,* Liumin Suo,* and Liquan Chen,2021

文章下載連結:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202008723

該項研究工作得到了懷柔清潔能源資料測試診斷與研發平臺的支持。

圖1.全電化學活性電極的概念:a.商用鋰離子液體電池(正極:74.6~83.6wt%;負極:石墨)。b.常規ASSLBs(正極:80wt%;負極:鋰金屬)。c.全電化學活性電極(AEA,正極:100wt%;負極:金屬鋰)。d和e:各種組分的重量和體積百分比的總表。

圖2.AEA-ASSLBs的概念驗證:a. AEA電極與一些傳統電池資料電子導電性對比。b.通過恒電位間歇滴定科技(PITT)獲得AEA資料的鋰離子擴散係數,並與現有的傳統電池資料對比。c、d和e.它們在0.1C/70℃下的迴圈穩定性。

圖3.基於LixMo6S8的AEA電極的電化學機理:a. LixMo6S8的鋰離子擴散係數和帶隙(x = 0,1,3,4)。b. AEA Mo6S8電極孔隙率與施加壓力的函數關係。紅色圓圈代表帶壓力的值測試,藍色圓圈代表釋放壓力的值測試。c.左圖為LixMo6S8型AEA電極原位XRD分析。中圖為不同階段的歸一化峰强度,並伴隨充放電曲線(右圖)的相變過程。

圖4.複合S-LMS-AEA正極(32.5%S8-67.5%Mo6S8)的結構和電化學機理。a. TEM影像。b. AEA電極的橫截面SEM。c. P和S元素的EDS分析。黑色尺規為20是50μm,白色尺規為50μm。d和e: S-LMS-AEA電極與典型的S-C-LGPS陰極的電子電導率、理論體積能量密度和孔隙率比較。f. S-LMS-AEA電極的電化學氧化還原機理。

圖5.高能量密度全活性固態電池策略。a-c:採用S-LMS(32.5% S8-67.5% Mo6S8)與Li、LTO-LMS(40% Li4Ti5O12-60% Mo6S8)與Li、S-LMS與Li- in合金構築的全固態電池充放電特性曲線。d.採用S-LMS陰極的AEA電池的迴圈穩定性。

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資料標籤: 電化學 電池 能量密度
本文標題: 物理所發現高能量密度鋰電池新策略,全電化學活性全固態鋰電池
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656061227419603
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