尖晶石型镍锰酸锂在水系锂离子电池中的应用

锂离子电池自问世以来,以其独特的高能量密度、高输出电压等优点受到了人们的广泛青睐,已在消费电子市场占据主导地位,成为众多电子产品不可或缺的组成部分,深刻改变了人类的生活方式。然而,传统有机系锂离子电池的安全性问题一直备受关注,而最近发生的Samsung Galaxy Note 7 大范围电池起火爆炸事件,再次将锂离子电池的安全性问题推到了风口浪尖。

有机系锂离子电池的安全性问题主要来源于其使用的易燃有机电解质。为了提高锂离子电池的安全性,使用水溶液作为电解质的水系锂离子电池受到了广泛关注。水系锂离子电池既避免了有机电解质的易燃问题,又克服了有机系电池生产过程中苛刻的制造工艺以及对水含量的严格控制。这些优点使其成为一种理想的储能体系。尽管如此,水系锂离子电池的发展也严重受限于其低电压,以及由此导致的相对较低的能量密度。

AENM-wangchunsheng

近期,美国马里兰大学的王春生教授团队报道了使用高浓度的水系电解液可以大幅提高电解液的稳定电化学窗口。这一开创性进展使得高电位锂电正极材料在水系电解液中的应用成为可能。通过晶体结构微调,结合电解液pH值的调节,首次在水系电解液中实现了高电位尖晶石型镍锰酸锂材料容量的全部利用。在此基础之上,全电池的能量密度可以达到126 Wh/kg,代表了目前水系电池电位和能量密度的最高水准。

高电位材料在水系电解液中的成功应用为未来水系电池的发展提供了更多的可能性。通过进一步优化与研究,水系电池也可能提供能与目前商业化有机系电池相媲美的能量密度和循环寿命,而且不会起火或者有环境危害。在同时对于电池的能量密度以及安全性有更高要求的领域,比如飞机、潜艇、航空飞船等领域有广泛的应用前景。

相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201600922)上。