具有超长寿命的有机钠离子电池取得新进展

由于快速增长的能源需求、逐渐耗尽的化石能源、日益严重的环境污染以及电动汽车和便携电子设备的蓬勃兴起,可重复使用的能源存储设备,特别是锂离子电池的需求越来越大。但锂和所用无机材料的资源有限性造成近些年电池中的锂材料价格不断上升,极大限制了锂离子电池的大规模应用。由于钠材料(储量丰富,与锂材料具有相似的电化学活性)和有机材料(可降解、可人工大量合成、质轻、柔性、体积变化小、可溶液法处理、可化学改性等)的众多优势,有机钠离子电池作为商用的无机锂离子电池的一种替代品吸引了巨大的兴趣,对于未来的大规模应用具有广大的应用前景。但有机钠离子电池的研究刚刚起步,仍然面临着容量低、充电速度慢、以及循环寿命短等众多挑战。

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基于此现状,最近德国伊尔梅瑙理工大学(Technical University of Ilmenau)的雷勇教授课题组利用玫棕酸二钠盐作为一个模型,系统研究了获取高性能有机钠离子电池(高容量,快速充放电,长程寿命)的重要因素:1)通过分子设计来提高材料的比容量;2)通过调控电化学窗口,保留材料中的离子键来抑制材料在电解液中的溶解,防止过充过放现象的发生,从而延长电池的循环使用寿命; 3)合适的胶黏剂是增加电池循环使用寿命的必要条件,常用的PVDF胶黏剂在该体系中存在一定程度的分解,从而造成电池使用寿命的大幅降低;4)良好的离子传输和电荷传输对于快速充放电性能至关重要。

通过对这些方面的调控,玫棕酸二钠盐显示了良好的电化学性能:1)平均放电电压在2.1 V;2)氧化还原峰和充放电曲线都非常对称,显示了良好的可逆性;3)在50 mA/g的电流密度下,电池表现出了173.5 mAh/g的容量;4)在1000 mA/g的电流密度下,电池循环1500次后,容量仍高达110 mAh/g,容量保留高达90%,在此电流密度下,电池充放电仅需要5分钟。

该系统性研究对于获取高性能有机钠离子电池具有广泛的指导意义,有望促进有机钠离子电池在不远将来的大规模应用。相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201504537)上。