2017年11月18日
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周豪慎、何平团队在Advanced Energy Materials发表固态锂空气和锂硫电池研究进展

现代工程与应用科学学院周豪慎、何平团队应邀在能源材料领域刊物Advanced Energy Materials上发表题为“Rechargeable Solid-State Li-Air and Li-S Batteries: Materials, Construction and Challenges”(Adv. Energy Mater. 2017, 1701602. DOI: 10.1002/aenm.201701602)的研究进展文章,对目前固态锂空气电池、固态锂硫电池等二次电池领域的研究热点进行了系统地分析、总结和展望。

图1. (a) 固态锂硫电池示意图;(b) 固态锂空气电池示意图。

能源危机以及环境污染问题促进了新能源的开发与利用。能源的存储和利用需要高效的能源转换系统。锂空气电池和锂硫电池因为具有极高的理论比能量受到广泛的关注(锂空气电池为3600 Whkg-1, 锂硫电池为2600 Whkg-1)。然而,目前大多数相关研究中都使用的有机电解液可能引起泄漏、燃烧和爆炸等安全问题。另外,基于金属锂负极的枝晶生长可能造成短路的安全隐患。为解决这些问题,研究者使用无机固态电解质取代有机液态电解质,设计了如图1所示的固态锂空气电池和锂硫电池。固态锂空气、锂硫电池安全性优势突出,避免了有机电解液易燃问题。无机固体电解质具有优秀的机械强度,可以有效阻挡锂枝晶穿刺。另外,在锂硫电池中,固体电解质可以避免“穿梭效应”的产生,从而提高锂硫电池库伦效率和循环寿命性能。对于锂空气电池,固体电解质可以有效保护金属锂负极受到二氧化碳和水气等影响,保证电池的长期使用。

图2.(a) 钙钛矿型(LLTO);(b) NASICON型(LAGP);(c) 石榴石型(LLZO);(d) thio-LISICON型(LGPS)。

该文首先介绍了4种适合锂离子传导的固体电解质。如图2所示分别为钙钛矿型、NASICON型、石榴石型和thio-LISICON型。接着系统分析各种电解质结构、输运特性,化学和电化学性质,总结了不同电解质在锂空气电池和锂硫电池中的不同应用。接下来,该文介绍了固态锂空气电池和锂硫电池的一些重要的正极材料,归纳了电极材料性能提高的方法。并从微观角度分析了两种固态二次电池的电极反应机理。最后,该文着重分析了固态锂空气电池和锂硫电池在电极-电解质界面方面存在的问题,并指出提高界面输运特性和稳定性的方法。

现代工程与应用科学学院15级博士研究生刘一杰为该文第一作者,何平副教授和周豪慎教授为通信作者。该团队从2012年开始,率先在国内开展固态锂空气电池研究,首次实现了基于Li1+xAlyGe2-y(PO4)3的固态锂空气电池和锂硫电池的设计与制备。此外该团队还将无机-聚合物复合电解质引入到锂空气电池中,显著提高了锂空气电池功率特性和稳定性。(Acs Energy Lett 2017, 2 (6), 1378-1384;Energ Environ Sci 2017, 10 (4), 860-884.)相关研究引起国内外同行的广泛关注与认可,基于这方面的研究基础,该团队连续获得国家重点研发计划课题和基金委重点项目的资助。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)