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青岛储能院创新性提出了硼基大阴离子镁基电解质的设计理念新葡萄京棋牌手机版:,锌电池是一类以锌金属或锌氧

发布时间:2020-04-26 13:47编辑:公告浏览(164)

    锌电池是一类以锌金属或锌氧化物为负极活性材料的储能体系,在电池发展历程中有不可磨灭的地位。锌具有资源丰富、高安全、成本低且多电子转移机制的优点,这使其体积比容量远高于锂。虽然近20年以来锌电池发展遇到了停滞,但随着近年来绿色、环保意识的不断增强及无铅化的发展趋势,使锌电池又迎来了新一轮世界范围的关注,在低速电动车、规模储能及特种领域有极大应用前景。然而,时至今日循环寿命短仍是其应用的最大障碍,这也是当前锌电池的应用仍以一次电池为主的原因。因此,聚焦储锌化学关键科学问题,切实提升再充电效率是二次锌电池再次登上历史舞台的关键。  依托中国科学院青岛生物能源与过程研究所建设的青岛储能产业技术研究院(简称“青岛储能院”)从锌电池核心电解质开发及界面设计出发,在长寿命、高稳定锌二次电池方面取得了重要的研究成果。2016年,青岛储能院利用超高浓盐包水电解质首次实现了2.35 V的高电压锌二次电池新体系(Electrochem. Commun. 2016, 6, 69)。2017年,青岛储能院创新性地以低温修复策略进一步解决了锌负极-电解液界面浸润性的问题,为锌电池在航空航天、深海低温等恶劣条件下的应用提供了有力的技术支撑。  2018年至今,青岛储能院开发了一系列低共熔体锌基电解质体系,其溶剂化结构、物化性质、离子传输行为高度可调。重要的是,首次在锌负极表面成功构筑了原位固态电解质层(SEI),深化了多价金属界面离子界面传输层的传统认知。受到电镀行业“光亮剂”的启发,青岛储能院进而提出了酰胺聚合物的修饰策略,在传统水系电解质中从副反应抑制及均匀沉积两方面对锌负极进行精准调控,循环寿命超过 8000 h。基于前期研究进展,团队深刻分析了存在的关键问题,尤其在负极可逆性差及失效机理方面做出了诠释,并提出了液态/聚合物电解质结构设计的有益策略,为锌二次电池发展方向和应用拓展提供了建设性方案(NPG Asia Mater. 2019, DOI: 10.1038/s41427-019-0167-1)。  上述研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、两所融合基金、中科院青促会等的支持。

    低速电动车及新能源电网的迅速发展加大了对低成本新型电池的需求,目前铅酸电池以其成熟的技术及低廉的价格占据了低速电动车动力电源、燃油车启动电源的绝大部分市场份额。但废旧铅酸电池给环境带来巨大的污染隐患,我国已明确制定了逐步替代铅酸蓄电池的政策。然而,由于商品锂离子电池的较高成本,造成其在低成本电池领域的发展受限。因此,建立低成本、高效能的电池体系是加速无铅化步伐的关键。 动力电池处在发展的黄金阶段,提前进行新型低成本高性能电池体系的布局,抢夺基础研究及产业化技术的制高点是我国在未来几十年能源争夺战中保持领先的关键。基于前期在高能量密度固态锂电池中取得的进展,依托中国科学院青岛生物能源与过程研究所建设的青岛储能技术研究院,以新型电池关键材料的创新性设计及工艺优化方面为切入点,多年来进行深入系统的应用基础研究,最近已取得阶段性进展。

    相关系列研究获得了国家自然科学基金杰出青年科学基金、国家重点研发计划、中科院纳米先导专项、山东省自然科学基金、青岛市储能行业科学研究智库联合基金和青岛能源所“一三五”项目等的大力资助。

    基于前期的应用基础研究和技术开发,青岛储能院已经突破锌电池集成和中试装备方面的技术瓶颈,成功开发出大容量、低成本的新型锌二次电池,器件能量密度 40 Wh/kg,循环寿命 500次,成本 0.7 元/Wh,并通过国标要求的穿钉及挤压等苛刻实验。实验数据表明性能优异的新型锌电池有望应用于低速电动车动力电源、规模储能及柔性储能器件特种领域。

    1. DOI: 10.1002/smll.201800821; Adv. Sci., 2018, 5, 700503),以细菌纤维素作为刚性骨架支撑材料,制备出聚乙烯基甲醚-马来酸酐多功能聚合物电解质(Energ. Environ. Sci., 2018, 11: 1197-1203)。实验结果表明:该聚合物电解质可以兼具稳定正极界面和保护锂负极的多功能作用,进而协同提升了4.45 V钴酸锂/锂金属电池的长循环稳定性。与此同时,该文详细阐明了聚乙烯基甲醚-马来酸酐聚合物电解质的多功能作用机制。由于在高电压钴酸锂/锂金属电池方面的系列工作,研究人员应邀为Chem. Soc. Rev 撰写题为Reviving lithium cobalt oxide-based lithium secondary batteries-toward higher energy density 的综述(Chem. Soc. Rev., 2018, DOI:10.1039/C8CS00322J),详细论述了高能量密度钴酸锂电池的相关研究进展、面临挑战以及未来机遇和发展方向。

    在中国工程院院士陈立泉的指导下,青岛储能院首次发现超高浓度有机金属盐基电解液可有效改善锌电池充电效率低和循环寿命差的弊端,据此开发出了长循环寿命、高能量密度新型锌二次电池。同时,创新性地通过多价骨架电极新结构的设计,将锌电池器件的有效充电大大缩短。电极-电解液的两相界面相容性一直以来是锌二次电池的应用和基础研究的难点,青岛储能院首次利用热可逆凝聚合物突破了该技术瓶颈,并创新性地提出了低温自修复的理念,解决了电池界面的失效问题。

    为从锂盐角度解决锂枝晶问题,青岛储能院的研究人员设计并合成了一种新型具有大阴离子结构的全氟叔丁氧基三氟硼酸锂,该新型锂盐保留了LiBF4阴离子的主体结构,一方面可以提高其对铝集流体的稳定性;另一方面大阴离子的存在可以原位形成锂负极保护膜进而提升锂金属电池的电化学性能。研究发现:该锂盐的离子电导率明显高于LiBF4,且对铝集流体有较好的稳定性,可以在锂金属负极形成一层保护膜来有效抑制锂金属与电解液的进一步反应,进而有效保护锂负极。相关成果作为Back cover文章发表在国际杂志Chem. Sci.上(Chem. Sci., 2018, 9, 3451-3458)。

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