为什么存在致命缺陷的钠电池比锂电池安全廉价?

2017-08-22 14:10:37 admin 2188

一般传统电池使用的是液态电解液以金属氧化物作为正极材料,和过阳离子在固液界面通过循环性的迁移实现电化学储能。锂电池有机电解液的带隙窗口是,但是它的LUMO低于碱土金属并且易燃。如果电池负极的电压(费米能级)低于锂金属的费米能级(1.3eV)就会在电池的负极形成一个SEI膜来防止电解液在负极发生还原反应。当高电压的锂离子电池的SEI膜中的锂来自于正极材料时会降低电池的容量。目前,市场上使用的移动设备的电源绝大部分使用的是碳负极,但是它的体积容量很低,并且正极的氧化物在工作电压高于4.3V(vs.Li+/Li)时,材料的结构会变得不稳定。因此,需要一个昂贵的系统来管理复杂的电池充放电过程。人们尝试使用锂合金负极来提高电池的体积容量,但是失败了。金属钠由于价格低廉,并且易得,吸引了人们的注意力。另人失望的是钠电池的容量普遍低于锂电池,无法满足我们所需要的条件。

但是,最近来自于美国The University of Texas at Austin的JB Goodenough团队在Energy&environmentalscience上发表了题为“Alternative strategy for a  safe regeable battery”的文章报道了一种新型的玻璃态固体电解质,室温下该电解质的的锂离子和钠离子的迁移率为10-2Scm-1,并且能有效的抑制锂/钠枝晶的生长,大大提高了电池的安全性能。传统的液态电解液使得电池的安全性能受到威胁,但是本文的提出通过在电解质表面镀锂/钠层的方式提高全固态电池的性能。并且这种电池跟传统电池的区别是,没有了负极的脱嵌行为,而是在电解质作为反应中心提供反应的位置。

图一:Li-S电池,电极材料循环前后对比

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图二:电极镀层过程示意图,及理论解释

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图三:钠电池循环性能

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人们重新把思考安全电池的发展方向放在固体电解质表面镀锂/钠层上面。文章还提出,如果将传统的脱嵌式电极材料换成具有这种反应中心的低成本的电解质,既可以大大提高电池的能量密度,又可以提高循环寿命,还可以增加可以安全性能。


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