现代工学院何平教授和周豪慎教授发明长寿命全固态锂-碘电池

发布者:袁敏敏发布时间:2022-01-14浏览次数:10

随着化石能源的逐渐枯竭和自然环境的不断恶化,人类社会对绿色环保的高比能电化学能源系统的需求也愈来愈迫切。基于嵌入型正极材料、石墨负极与有机电解液的锂离子电池已广泛应用到我们的日常生活中,但其比能量已达极限,且在高温、过充等极端条件下易发生燃烧甚至爆炸事故,难以满足下一代高比能和高安全储能系统的要求。与传统的锂离子电池相比,基于碘正极和锂金属负极的锂-碘电池不仅拥有比能量高、成本低廉和环境友好的优势,且具有超长的循环寿命和优异的倍率性能。液态锂-碘电池的相关研究虽已取得了很多进展,但多碘离子的穿梭效应和有机电解液安全性差这两大难题始终阻碍着其发展和应用。全固态锂-碘电池采用不可燃的固态电解质,在提高电池安全性的同时,完全避免了多碘离子的穿梭效应,是非常具有吸引力的下一代新型电池体系。但是固态锂-碘电池由于多碘离子的界面化学过程缓慢导致的实际放电容量低、循环寿命差等问题一直难以解决,这严重制约该体系的实用化。

最近南京大学现代工学院何平与周豪慎首次实现了可充型锂-碘电池的大容量长寿命循环。该研究团队提出多碘离子“限域溶解”的策略,将多碘化物的溶解定位在碘正极附近的有限空间内。同时,多碘化物向负极侧的穿梭被完全阻断。该工作精心设计了由分散层和阻挡层组成的组合电解质。作为分散层的聚(环氧乙烷)可以在很大程度上溶解在放电/充电过程中产生的多碘化物,从而促进快速和高度可逆的多碘化物化学。单锂离子导体 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3作为阻挡层,有效避免了多碘化物的穿梭效应。这种组合电解质结构,成功地诱导了多碘化物氧化还原反应。由于多碘化物氧化还原反应快速而稳定,全固态LIB表现出优异的电化学性能和高安全性,该电池1C高倍率的放电/充电测试,可稳定循环9000次,保持112.9 mAh g-1的高比容量,容量保持率高达84.1%,平均库仑效率高达99.8%。该体系在要求长循环寿命和高安全性的储能方面显示出巨大的应用前景。

1. a)基础全固态LIB和(b)本工作中的可充电全固态LIB中正极/电解质界面的反应机理示意图。

2. 全固态锂电池电化学性能


以上工作以“Achieving long cycle life for all-solid-state rechargeable Li-I2 battery by a confined dissolution strategy”为题,于2022110日发表在《Nature Communications》上(Doi: 10.1038/s41467-021-27728-0)。南大现代工学院为该论文的通讯单位,论文第一作者是该院2021届博士程铸,何平教授、周豪慎教授为论文通讯作者。该工作得到了中科院大连化物所侯广进研究员的重要帮助。该工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目以及固体微结构物理国家重点实验室和江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的大力支持。