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新材料学院潘锋课题组与合作者在Cell子刊发表新

作者:admin    来源:未知    发布时间:2019-11-01 09:24    浏览量:
随着5G、可穿戴电子、电动车和大规模储能的发展,对锂电池的性能提出更高的要求,需要发展新一代锂电池。锂电池(属于碱金属电池,AMB)因其比容量高、氧化还原电位低而成为了最有前景的下一代高比能电池体系。然而,枝晶生长和严重的安全隐患限制了锂电池的产业化。经过多年的发展,在碱金属负极的产业化的过程中,其在安全性和循环寿命方面仍然存在巨大的挑战。
 
近期,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授课题组与华中科技大学黄云辉团队合作在国际顶级能源杂志Joule(Cell子刊)期刊上发表题为“碱金属负极:从实验室到产业”的综述和展望论文(Alkali-Metal Anodes: From Lab to Market,Joule (2019) 3, 2334)。文章将碱金属负极的产业化过程分为三个阶段:第一个阶段是碱金属负极的基础研究;第二阶段是碱金属负极在特定电池体系中的应用,如碱金属-硫电池、碱金属-氧气电池和固态电解质;第三阶段是如何实现产业化,讨论了面向产业化安全、成本和实际能量密度方面的要求。文章在概括碱金属研究进展的基础上,试图探索碱金属负极在特定电池体系中的应用,并重点讨论了在该领域的基础研究与应用开发及产业化之间的内在联系,以期为碱金属负极的未来发展提供参考。
 
在下一代电池体系中的应用中,碱金属负极被认为是下一代电池理想的电极材料,因为他们有一个完美匹配高比容量的硫和氧气正极。此外,全固态电池良好的安全性能也为碱金属负极的应用带来了新的机遇,它包括锂、钠和钾金属负极及硫为正极的固态电池。
 
产业化应用中涉及的主要问题包括电池性能的真实评估、电池安全性的考虑、电池成本的控制以及电池的可加工性。虽然目前碱金属负极的产业化进程还处于初级阶段,其存在的安全性差、库伦效率低等问题还有待解决。文章相信在学术界和产业界的共同努力下新一代电池最终会实现产业化。
 
向经纬博士和杨卢奕博士为本文共同第一作者,黄云辉、袁利霞和潘锋为共同通信作者。该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划、广东省重点实验室、深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。
 
在目前广泛使用的商用锂电池中,锂离子在以特殊层状材料作为电池正负极的“主人”家里,随意地来回“串门”,以完成电池充放电工作。
 
需要指出的是,虽然锂离子这个嵌入与脱嵌的“串门”过程,并不影响“主人”家里的物质结构,但整个过程仍是化学反应而非物理反应。
 
4 锂电池还有很大发展空间
 
今年的诺贝尔化学奖授予锂电池领域,是对这个行业巨大的肯定和激励。锂电池从诞生发展到应用推广,当下仍面临着诸多艰巨的挑战。
 
从1991年索尼公司商业化生产第一批锂离子电池至今,上述锂离子来回“串门”的“摇椅式电池”成了最有前途和发展最快的市场。但受制于锂离子电池原理的限制,现有体系的锂离子电池能量密度已经从每年7%的增长速率下降到2%,并正在逐渐逼近其理论极限。与之相反,随着社会进步,人们对便携、清洁生活的需求更加强烈。
 
采用更少质量储存更多电量的电极材料,有望构筑能量密度更高的锂离子电池。金属锂的比容量高达 3860mAh/g,是构筑高比能电池的终极材料。但直接把金属锂作为电池负极材料使用的话,始终逃不开一个“跗骨之蛆”——枝晶。面对这个造成锂电池安全隐患的“大敌”,世界各国的科学家正在进行不懈努力。
 
5 应对锂电池安全的大敌“枝晶”
 
我们都知道,电池分为正极、负极和电解质,通过氧化还原反应来产生电流,放电时离子从负极流向正极,充电时从正极流向负极。
 
对锂电池来说,放电时锂会被氧化成离子进入电解质最终抵达正极;重新充电时,这些锂离子会再沉积到锂金属负极的表面。
 
但是这种沉积往往不均匀,随着锂电池的频繁使用,锂金属表面会长出针状或树枝状的锂枝晶。枝晶生长得过长就会折断,不再参与反应,给电池体系带来不可逆的容量损失;最危险的是,长大的枝晶会刺破电池正负极之间的隔膜,造成短路,埋下电池过热自燃或爆炸的安全隐患。
 
锂电领域里,如何做到“鱼与熊掌兼得”?如何通过提出新原理、新体系、新方法,实现能量密度更高、更安全、充电更快的储能过程?这些都是锂电领域未来面临的挑战。
 
在这样的形势下,涌现出了锂硫电池、锂空电池、钠离子电池等许多新体系电池。新材料的不断产生,也给这些新体系的发展带来了新机遇。
 
延伸阅读
 
我国锂电研究者正在开展大量原创工作
 
中美日韩德英等国都制定了各自的电池发展战略,以期推动电池原理的创新以及核心技术的开发,支撑当代社会的可持续发展。我国锂电研究者们在国家和社会的支持下,围绕高效能量存储这个不变的“初心”,持续开展科学研究。
 
目前锂电池领域主流研究方向仍聚焦在寻找更安全高效的负极材料。由笔者带领的清华大学研究团队从2013年开始,在金属锂负极形核和无枝晶生长领域开展了原创性的科学研究。
 
研究发现,在金属锂负极中添加具有亲锂性的掺氮碳骨架,让电池中游离的锂离子在充电初始,就像小蝌蚪找妈妈一样,优先奔向青蛙妈妈——掺氮位点,在电池中形成均匀分布的金属锂“小团体”;
 
在充电过程中,“小蝌蚪和青蛙妈妈”的“小团体”继续“抱团”。这种均匀沉积的行为可以避开以往形核少而产生的金属锂枝晶生长。
 
基于上述成果的论文2017年被化学领域顶级期刊《德国应用化学》选为封面,今年还入选了由北京市科学技术协会主办的“北京地区广受关注学术论文”评选活动。研究团队在上述能源化学机理的基础上,进一步设计了碳锂复合负极。这些复合金属锂负极不仅避开了“危险的枝晶”,还表现出了优异的电化学性能,有效提升了金属锂负极的利用效率和安全性,也为基于金属锂的二次电池提供了新的实用化探索思路和更广阔的应用前景。
 
除了锂电池之外,采用钠、钾、铝、锌等离子并研发其能源化学新原理,也有望提出具有独特性质的新型储能器件。除电化学储能之外,采用其他能源存储和转化方式以及新型能源载体,有望构筑具有颠覆性的储能技术,满足未来社会对于储能设备的新需求。
 

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