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清华大学材料学院伍晖副教授课题组在熔融锂金属电池研究方面取得新进展

7月2日,清华大学材料学院伍晖副教授课题组与斯坦福大学合作,在《自然能源》(Nature Energy)上发表了题为《一种用于电网储能的中温石榴石固态电解质基熔融锂电池》(An intermediate temperature garnet-type solid electrolyte-based molten lithium battery for grid energy storage)的研究论文。该论文提出了一种面向大规模储能应用的全电池系统,设计并验证了以熔融锂金属为负极,锡铅合金和铋铅合金为正极, Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)陶瓷管为电解质的液态金属电极(LME)电池。通过将固态电解质引入LME电池,有效降低了LME电池的运行温度,显著提高了电池的库伦效率和循环寿命。

随着风能、太阳能等间歇性可再生能源的大规模应用与智能电网的发展,大规模储能系统的研究得到了越来越多的关注。可充电电池具有能量效率高,成本可控,不受地形空间限制等优点,应用于储能领域具有较大的潜力。储能电池需要满足高功率、高安全性、长寿命和低成本等要求,新一代储能电池的开发,一直是电池研究领域的热点。LME电池是大规模储能电池的候选方案,在这一类电池体系中,如何降低电池的工作温度、减少电池的成本、提高电池的可靠性和安全性,是LME电池发展的主要挑战。

为解决上述问题,伍晖副教授课题组与美国斯坦福大学崔屹教授课题组合作,将固态电解质引入LME电池(如图),取代传统的熔融盐电解质(通常需要300℃以上的运行温度),将LME电池的运行温度降低至240℃。LLZTO固态电解质在240℃工作时具有远高于室温条件下的离子电导率,可以实现在大电流密度下的充放电,且可以有效抑制电池自放电和副反应,提升电池的库伦效率。这种新型电池系统未来有望在大规模储能系统中得以应用。

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基于固态电解质的熔融锂电池的示意图

        近年来,伍晖副教授研究团队专注于功能材料的制备及其在能源存储、柔性电子和环境等领域的研究与开发,在相关领域取得了多项重要成果。相关工作发表在《自然能源》(Nature Energy)、《自然通讯》(Nature Communications)、《科学进展》(Science Advances)等期刊上。

清华大学材料学院伍晖副教授和美国斯坦福大学崔屹教授为本文的通讯作者。清华大学材料学院访问学生金阳和材料学院2013级博士生刘凯为本文的共同第一作者。本研究得到了科技部青年973计划、国家自然科学基金委项目的资助。

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-018-0198-9

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