复旦大学新型水溶液可充电锂电池开发

放大  缩小 日期:2013-03-15     作者:中国汽车材料网    评论:0      
核心提示:近日,复旦大学与德国开姆尼茨大学的研究人员联合开发出一款新型水溶液可充锂电池,可用于车辆。这款锂电池采用锂金属涂层作为电
 近日,复旦大学与德国开姆尼茨大学的研究人员联合开发出一款新型水溶液可充锂电池,可用于车辆。

这款锂电池采用锂金属涂层作为电池阳极,其输出电压约为4V,能量密度可达446瓦时/千克,比传统锂电池高出80%左右,同时,相比上一代水溶液可充锂电池的30-45瓦时/千克的能量密度也有相当大的提升。这款水溶液可充锂电池在安全性、成本方面均经过优化,其工作时的化学过程与传统锂电池不同,更适合运用于电动汽车或大型电网储能方面。

水溶液可充锂电池是基于氧化还原反应(redox reaction)将水性电解液和嵌锂化合物作为锂电池电极的一种锂电池构造。首次发明是在1994年,而从2007年起开始受到广泛关注,因为这类锂电池投资成本低、安全性高、工作可靠性强。近期的研究工作表明他们具有良好的循环性能以及较高的充电速率。

研究过程

两所大学的研究人员曾使用过多种阳极材料,但它们的主要缺点是:由于水的电化学窗口较狭窄(注释:所谓电化学窗口就是指在电化学循环伏安曲线上没有电化学反应的那一段,也就是说电极在这个电位范围内只是处于充电状态,而没有电化学反应发生。因此在电化学研究时,研究对象的氧化还原电位应该处在所选择的溶剂和所选择的电极的电化学窗口之中,才不会造成负面影响。不同的电极在不同的溶液中电化学窗口不一样),因此这多种材料受到水溶液限制,能量密度依旧远低于普通锂电池。

水溶液可充锂电池体系

于是研究人员引入了一种锂金属涂层阳极,并用锰酸锂(LiMn2O4)作为电池阴极,采用浓度为0.5摩尔/升的硫酸锂(Li2SO4)作为电解液,构成一个水溶液可充锂电池体系。其平均放电电压大约为4V,远高于水溶液的理论稳定值1.229V。其能量密度为446瓦时/千克。

在传统锂金属可充电池中,锂金属作为负极材料使用受到限制,因为在使用液态电解质的锂电池充电时,锂离子还原时会形成树枝状金属锂单质,称为树枝晶(dendrites),这种晶体会在充放电过程中缓慢堆积于电极上最终造成电池短路。而在新的锂金属可充电池中不会发生这类现象。

树枝晶晶体结构

新的锂金属涂层由两所大学自制的凝胶聚合物电解质(gel polymer electrolyte,GPE)以及LISICON薄膜构成。LISICON薄膜是一种固态电解质,能够作为隔板,质子、水以及溶剂和离子等物质无法穿过它。GPE确保LISICON薄膜的电化学性能保持稳定,只有锂离子能够穿越锂金属涂层。

经过观察,该涂层在水溶液中表现稳定,并没有析氢现象发生(如果上述LISICON薄膜隔板性能不稳定,那么锂金属与水反应会产生氢气和氢氧化锂)。水溶液中在高电位处的锂离子能够穿过锂金属涂层到达低电位处,形成稳定的循环过程。

除了其高能量密度以及稳定的循环性能,研究人员还发现水溶液可充锂电池具有良好的热管理性能。在该锂电池体系中,水溶液具有较高的比热容,能够吸收大量化学反应产生的热量,同时溶液温度并不会发生很大变化,这一点是传统锂电池无法达到的。此外,水溶液与阴极、阳极直接接触,因此冷却效果相当出色。但研究人员指出,这项优势有或否,与电动车中的应用无关,对大型能量储存系统有较大影响。

与传统锂空气电池相比,水溶液可充锂电池具有以下几项优势:

1、更好的循环性能

2、更高的能量密度

3、更高的能量传输效率

4、生产成本更低、使用大众化的材料。

另外,研究人员补充,将锰酸锂阴极材料替换为钴酸锂(LiCoO2)则能达到更高的能量密度,约为570瓦时/千克。这意味着,电动车利用这款水溶液可充电锂电池单次充电能够行驶300公里的路程。

 
 
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