基于多电子反应机制的高比能二次电池

随着新能源材料与技术的快速发展,特别是面向新型便携式通讯、新能源汽车、大规模储能、航空航天、国防军事等领域的巨大技术和市场需求,高能量密度二次电池新体系的研究开发具有重要的科学意义和实用价值。现有的二次电池体系,以铅酸、镍镉、金属氢化物-镍和当前重点发展应用的锂离子电池为代表,其活性材料多为重金属元素或过渡金属氧化物,且反应电子数大多≤1;在保证正极和负极的活性物质优化匹配的基础上,上述电池的能量密度只能达到理论能量密度的大约50%;再考虑到集流体、电解液、隔膜以及外包装的使用,电池的实际能量密度会进一步降低。如何提高电池材料的比容量?如何实现电池材料的优化设计?如何构筑新一代高比能的二次电池体系?成为当前二次电池研究领域中的热点和难点。

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最近,北京理工大学吴锋教授、陈人杰教授结合研究团队多年来的工作,系统综述了基于多电子反应机制的二次电池体系及相关电极材料的研究进展,阐述了基于轻元素多电子反应机制的新型电极材料开发和高能量密度二次电池新体系构筑的技术思路

本文从多电子反应机理角度总结分析了四种电池体系:(1)基于一价阳离子电池体系,以锂离子电池、钠离子电池为代表,重点研究磷、锡、金属氧化物、金属氟化物等可实现多电子反应电极材料的结构和电化学稳定特性;(2)多价阳离子电池体系,以二价镁离子电池和三价铝离子电池为代表,重点关注电池体系中正极材料的反应机理并实现新型电解液的相容匹配;(3)金属-空气电池体系,通过阴离子和阳离子共同参与电化学反应过程实现能量密度的显著提升,以锂空气电池为例,氧气在多孔空气电极表面还原成O2- 或O22-,与Li+反应生成Li2O或Li2O2,分别对应4e或2e的转移,研究难点在于反应可持续性和材料稳定性的技术突破;(4)锂硫电池,是通过环状S8分子形成可溶性以及不溶性聚硫化物的电化学过程实现两个电子转移的高比能电池体系,研究突破在于多硫化锂飞梭效应的有效控制和材料的优化匹配。