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      新材料學院潘鋒課題組與合作者在Cell子刊發表新

      作者:admin????來源:未知????發布時間:2019-11-01 09:24????瀏覽量:
      隨著5G、可穿戴電子、電動車和大規模儲能的發展,對鋰電池的性能提出更高的要求,需要發展新一代鋰電池。鋰電池(屬于堿金屬電池,AMB)因其比容量高、氧化還原電位低而成為了最有前景的下一代高比能電池體系。然而,枝晶生長和嚴重的安全隱患限制了鋰電池的產業化。經過多年的發展,在堿金屬負極的產業化的過程中,其在安全性和循環壽命方面仍然存在巨大的挑戰。
       
      近期,北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授課題組與華中科技大學黃云輝團隊合作在國際頂級能源雜志Joule(Cell子刊)期刊上發表題為“堿金屬負極:從實驗室到產業”的綜述和展望論文(Alkali-Metal Anodes: From Lab to Market,Joule (2019) 3, 2334)。文章將堿金屬負極的產業化過程分為三個階段:第一個階段是堿金屬負極的基礎研究;第二階段是堿金屬負極在特定電池體系中的應用,如堿金屬-硫電池、堿金屬-氧氣電池和固態電解質;第三階段是如何實現產業化,討論了面向產業化安全、成本和實際能量密度方面的要求。文章在概括堿金屬研究進展的基礎上,試圖探索堿金屬負極在特定電池體系中的應用,并重點討論了在該領域的基礎研究與應用開發及產業化之間的內在聯系,以期為堿金屬負極的未來發展提供參考。
       
      在下一代電池體系中的應用中,堿金屬負極被認為是下一代電池理想的電極材料,因為他們有一個完美匹配高比容量的硫和氧氣正極。此外,全固態電池良好的安全性能也為堿金屬負極的應用帶來了新的機遇,它包括鋰、鈉和鉀金屬負極及硫為正極的固態電池。
       
      產業化應用中涉及的主要問題包括電池性能的真實評估、電池安全性的考慮、電池成本的控制以及電池的可加工性。雖然目前堿金屬負極的產業化進程還處于初級階段,其存在的安全性差、庫倫效率低等問題還有待解決。文章相信在學術界和產業界的共同努力下新一代電池最終會實現產業化。
       
      向經緯博士和楊盧奕博士為本文共同第一作者,黃云輝、袁利霞和潘鋒為共同通信作者。該工作得到了國家材料基因工程重點研發計劃、廣東省重點實驗室、深圳市科技創新委員會等項目的大力支持。
       
      在目前廣泛使用的商用鋰電池中,鋰離子在以特殊層狀材料作為電池正負極的“主人”家里,隨意地來回“串門”,以完成電池充放電工作。
       
      需要指出的是,雖然鋰離子這個嵌入與脫嵌的“串門”過程,并不影響“主人”家里的物質結構,但整個過程仍是化學反應而非物理反應。
       
      4 鋰電池還有很大發展空間
       
      今年的諾貝爾化學獎授予鋰電池領域,是對這個行業巨大的肯定和激勵。鋰電池從誕生發展到應用推廣,當下仍面臨著諸多艱巨的挑戰。
       
      從1991年索尼公司商業化生產第一批鋰離子電池至今,上述鋰離子來回“串門”的“搖椅式電池”成了最有前途和發展最快的市場。但受制于鋰離子電池原理的限制,現有體系的鋰離子電池能量密度已經從每年7%的增長速率下降到2%,并正在逐漸逼近其理論極限。與之相反,隨著社會進步,人們對便攜、清潔生活的需求更加強烈。
       
      采用更少質量儲存更多電量的電極材料,有望構筑能量密度更高的鋰離子電池。金屬鋰的比容量高達 3860mAh/g,是構筑高比能電池的終極材料。但直接把金屬鋰作為電池負極材料使用的話,始終逃不開一個“跗骨之蛆”——枝晶。面對這個造成鋰電池安全隱患的“大敵”,世界各國的科學家正在進行不懈努力。
       
      5 應對鋰電池安全的大敵“枝晶”
       
      我們都知道,電池分為正極、負極和電解質,通過氧化還原反應來產生電流,放電時離子從負極流向正極,充電時從正極流向負極。
       
      對鋰電池來說,放電時鋰會被氧化成離子進入電解質最終抵達正極;重新充電時,這些鋰離子會再沉積到鋰金屬負極的表面。
       
      但是這種沉積往往不均勻,隨著鋰電池的頻繁使用,鋰金屬表面會長出針狀或樹枝狀的鋰枝晶。枝晶生長得過長就會折斷,不再參與反應,給電池體系帶來不可逆的容量損失;最危險的是,長大的枝晶會刺破電池正負極之間的隔膜,造成短路,埋下電池過熱自燃或爆炸的安全隱患。
       
      鋰電領域里,如何做到“魚與熊掌兼得”?如何通過提出新原理、新體系、新方法,實現能量密度更高、更安全、充電更快的儲能過程?這些都是鋰電領域未來面臨的挑戰。
       
      在這樣的形勢下,涌現出了鋰硫電池、鋰空電池、鈉離子電池等許多新體系電池。新材料的不斷產生,也給這些新體系的發展帶來了新機遇。
       
      延伸閱讀
       
      我國鋰電研究者正在開展大量原創工作
       
      中美日韓德英等國都制定了各自的電池發展戰略,以期推動電池原理的創新以及核心技術的開發,支撐當代社會的可持續發展。我國鋰電研究者們在國家和社會的支持下,圍繞高效能量存儲這個不變的“初心”,持續開展科學研究。
       
      目前鋰電池領域主流研究方向仍聚焦在尋找更安全高效的負極材料。由筆者帶領的清華大學研究團隊從2013年開始,在金屬鋰負極形核和無枝晶生長領域開展了原創性的科學研究。
       
      研究發現,在金屬鋰負極中添加具有親鋰性的摻氮碳骨架,讓電池中游離的鋰離子在充電初始,就像小蝌蚪找媽媽一樣,優先奔向青蛙媽媽——摻氮位點,在電池中形成均勻分布的金屬鋰“小團體”;
       
      在充電過程中,“小蝌蚪和青蛙媽媽”的“小團體”繼續“抱團”。這種均勻沉積的行為可以避開以往形核少而產生的金屬鋰枝晶生長。
       
      基于上述成果的論文2017年被化學領域頂級期刊《德國應用化學》選為封面,今年還入選了由北京市科學技術協會主辦的“北京地區廣受關注學術論文”評選活動。研究團隊在上述能源化學機理的基礎上,進一步設計了碳鋰復合負極。這些復合金屬鋰負極不僅避開了“危險的枝晶”,還表現出了優異的電化學性能,有效提升了金屬鋰負極的利用效率和安全性,也為基于金屬鋰的二次電池提供了新的實用化探索思路和更廣闊的應用前景。
       
      除了鋰電池之外,采用鈉、鉀、鋁、鋅等離子并研發其能源化學新原理,也有望提出具有獨特性質的新型儲能器件。除電化學儲能之外,采用其他能源存儲和轉化方式以及新型能源載體,有望構筑具有顛覆性的儲能技術,滿足未來社會對于儲能設備的新需求。
       

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