Small Methods:基于多价金属/硫化学的室温储能综述

能源是当今社会发展的核心问题。可再生能源和智能电网的发展对低成本、大规模的储能系统提出日益增长的需求。传统的锂离子电池在消费电子领域取得了巨大的成功,然而锂资源的日益短缺和锂离子电极材料理论容量的限制使得锂离子电池难以满足下一代大规模储能的需要。寻找高容量、安全性好、储量丰富、价格低廉的电极材料对于开发下一代储能技术具有重要的意义。随着过去三十年间电化学储能科学与技术的发展,众多替代锂离子电池的储能系统得以提出。其中锂/硫电池得益于正极硫的高容量(1675 mA h g−1)、低成本等优势获得了广泛关注。然而负极金属锂具有本征的资源和安全劣势,给锂/硫电池带来了不可忽视的技术挑战。采用轻质、价廉的多价碱土金属如镁和钙以及金属铝作为负极替代金属锂,可获得诸如在元素丰度、材料成本、操作安全性和体积比容量等各个方面的优势,赋予了多价金属/硫电池极佳的发展前景。然而室温镁/硫电池、钙/硫电池和铝/硫电池的发展面临严峻的技术挑战,更甚于室温锂/硫电池和钠/硫电池,亟待学界和产业界的探索和开发。

基于此,德克萨斯大学奥斯汀分校的Manthiram教授课题组近日在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700217)上撰文发表了综述一篇,从发展沿革、基本原理、最新进展和未来发展等多个角度介绍和分析基于多价金属/硫化学的室温储能系统,主要包括室温镁/硫电池、钙/硫电池和铝/硫电池,指出它们的共性优势在于:(1) 镁、钙、铝元素高出锂元素三到四个数量级的地壳丰度;(2) 镁、钙、铝金属负极相较锂金属负极更不易或者不会生长枝晶,从而具有更好的安全性;(3) 镁、铝金属负极由于多电子转化特性和较高的密度,从而具有比包括锂在内的碱金属负极更高的体积比容量。作者根据现有的研究进展同时指出发展基于多价金属/硫化学的室温储能系统的主要挑战:(1) 最核心的挑战是研究并开发更可靠的非水多价金属离子电解液,从而提高工作电压、减少极化、提升电池循环性;(2) 设计优良的导电骨架,提高绝缘的单质硫和多价金属硫化物的利用率;(3) 解决中间产物多硫化物的迁移问题;(4) 金属钙负极与有机电解液接触反应生成绝缘的固体电解质界面层,严重制约其放电深度和可充电性。第二、三点挑战可借鉴锂/硫电池研究的发展经验,而最后一点依赖于适合金属钙负极的电解液的开发。

通过这篇综述,作者强调了用多价金属负极代替锂金属负极构筑面向大规模储能的多价金属/硫电池在资源、成本、安全性等方面的巨大优势,总结了现有的研究进展和方法策略,指出发展这一类储能系统最核心的挑战是研究可靠的电解液。他们指出目前室温镁/硫电池、钙/硫电池和铝/硫电池还处在研究初期,未来将有很多机会解决它们发展的一系列问题和挑战。

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