1. 清新电源首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家

高能、高安全柔性水系锂离子电池

高能、高安全柔性水系锂离子电池

目前,应用广泛的锂离子电池虽然具有出色的电化学性能,但是其使用的是高度易燃,有毒,且对湿度敏感有机电解液。因此,开发低毒、高安全的电解液是锂离子电池发展的必然趋势。另外,具有高度安全的柔性电池是目前的研究热点,但目前的技术仍不能使其达到理想的柔性状态。为了实现真正意义上的柔性与安全性能,有机电解液的问题必须解决。作为比较,水系电解液则是一种理想溶液,但是它的电化学窗口过于狭窄(1.23V),难以为锂离子电池提供高电压和高能量密度。近期,浓缩水系电解质“water-in-salt”(WiS)和“water-in-bisalt”(WiBS)成功打破了这个限制;通过SEI膜使其电位窗口扩大到>3V。通过固体电解质相(SEI)使其电化学窗口扩大到> 3.0V,固有的不可燃性和水分不敏感性,以及快速离子传输(10^-2 S/cm 室温),使得高容量的柔性含水可再充电锂离子电池(FARLB)能够在露天中组装和操作。

近期,马里兰大学帕克分校的王春生教授课题组以Tavorite型材料LiVPO4F作为正负极,WiS凝胶聚合物作为电解质,构建了柔性对称FARLBs。(在此解释一下为什么LiVPO4F既是正极也是负极:锂离子从LiVPO4F中脱嵌的时候表现出两个明显的电位平台,V3+/V4+氧化还原电对对应的电位平台是在≈4.26 V vs Li+/Li,而V2+/V3+氧化还原电对对应的电位平台是在≈1.8 V vs Li+/Li,因此当组装成电池发生电化学反应时,两电位表现出的差值就是电池的电压≈2.46 V)。

正极反应:

高能、高安全柔性水系锂离子电池

负极反应:

高能、高安全柔性水系锂离子电池

由于形成了由Li2CO3-LiF组成的坚固SEI,FARLBs表现出高的能量和功率密度以及较长的循环寿命;4000次循环后能源密度为141Wh/kg,功率密度为20600W/kg,输出电压为2.4V。该成果发表在国际顶级期刊Adv. Mater.上。

高能、高安全柔性水系锂离子电池

图1.a)LiVPO4F的xrd图谱及LiVPO4F粒子的SEM图;b)当在1-10mV /s下扫描时,LiVPO4F作为阳极和阴极与Ag / AgCl参比的循环伏安图(CV);c)在2.06和4.36V(vs Li / Li +)的峰值电流响应的log(i)与log(v);d)LiVPO4F负极的k1与k2分析;e)LiVPO4F正极的k1与k2分析;f,g)LiVPO4F在1573K下的AIMD模拟。

作者首先以两步碳热还原法制得石榴状LiVPO4F材料,接下来在将其涂布在自制的Ti集流体之上作为电池的正负极,并以之前所报道的新型水性凝胶状电解液WiS作为电解液组装柔性对称全电池。两步碳热还原得到的石榴状LiVPO4F小球具有独特的双层多孔结构,这有效的缩短了锂离子的扩散路径,加快了氧化还原反应的速率,同时具有高能量密度和高振实密度的LiVPO4F在经过碳包覆,3D碳基质使其具有高电导率,进一步加快了氧化还原反应的发生,而生成的SEI膜(LiF-Li2CO3)具有很高的锂离子传导率,与高离子迁移率的WiS电解液共同作用,确保了LiVPO4F//LiVPO4F电池高能量密度。

高能、高安全柔性水系锂离子电池

图2.a)LiVPO4F作为正负极在2C下参比Ag/AgCl电极的GITT表征;b)LiVPO4F全电池在不同倍率下的充放电曲线;c)LiVPO4F全电池在20C下经过4000次循环的循环性能图和库伦效率图;d)基于相同条件的不同活性物质的质量比电容和能量密度

为了进一步研究这种柔性电池的电化学性能,作者对其进行了恒电流间歇滴定实验(GITT),其可逆容量达到了145mAh/g,接近于理论值(156mAh/g)。柔性对称LiVPO4F全电池表现出优异的倍率性能,不同电流密度下比容量和平均输出电压分别为:2C(0.314A/g)时58.1mAh/g和2.42V、20C(3.14A/g)时52.6mAh/g和2.35V、40C(6.28A/g)时47.6mAh/g和2.28V、60C(9.42A/g)时40.8mAh/g和2.19V;特别是60C倍率下的性能在已知的相似活性材料中性能是最好的。此外,柔性对称LiVPO4F全电池不仅有超高的倍率性能,还展现出出色的循环性能,在20C下经过4000次循环之后,仍能保持初始容量的87%,库伦效率也始终保持在100%左右,平均每周只有0.003%的容量损失,低的自放电率也从侧面证实了全电池中的副反应被抑制了。柔性对称LiVPO4F全电池与其它锂离子电池和超级电容器相比,展现出141Wh/kg的能量密度和760W/kg功率密度;即使在20600W/kg的功率密度下,其能量密度依旧高达90Wh/kg,在相同的功率水平下,对称LiVPO4F全电池因其2.4V高电压和独特的石榴状LiVPO4F超越了目前所有的水性锂离子电池和超级电容器。

高能、高安全柔性水系锂离子电池

图3.a)制备的带状柔性全电池和柔性测试;b)柔性LiVPO4F全电池在不同弯曲程度下的电压曲线图;c)柔性LiVPO4F全电池在空气中切割后仍能正常工作;d)经过切割后在2C下的电压曲线

柔性对称的LiVPO4F全电池也具有无与伦比的力学性能,在经过0°,90°,180°弯折测试之后容量几乎没有没有发生衰减,甚至在空气中将全电池切去一半后,其电压曲线也没有发生变化,还可以继续正常工作,只是由于活性物质切去容量发生了减少。这是由于凝胶状WiS电解质中水与盐的强结合阻止了水分的蒸发,确保了全电池的正常工作,从材料水平上实现了真正柔性和安全的锂离子电池。

Chongyin Yang, Xiao Ji, Xiulin Fan, Tao Gao, Liumin Suo, Fei Wang, Wei Sun, Ji Chen,Long Chen, Fudong Han, Ling Miao, Kang Xu, Konstantinos Gerasopoulos, Chunsheng Wang, Flexible Aqueous Li-Ion Battery with High Energy and Power Densities, Adv. Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201701972

欢迎读者踊跃投稿!请加能源学人官方微信ultrapower7

声明:

1.本文主要参考以上所列文献,文字、图片和视频仅用于对文献作者工作的介绍、评论,不得作为任何商业用途。

2.本文版权归能源学人工作室所有,欢迎转载,但不得删除文章中一切内容!

3.因学识所限,难免有所错误和疏漏,恳请批评指正。


高能、高安全柔性水系锂离子电池

本站非明确注明的内容,皆来自转载,本文观点不代表清新电源立场。

发表评论

登录后才能评论