Small Science: 阴-阳离子接力电池——一种新的储能模式

长寿命、高能量、大倍率储能是可充电电池领域研究的永恒主题,它们是实现未来电动车长续航、快充目标的关键。当前商业化电池的主流主要是金属离子电池中的锂离子电池,它们主要利用金属离子在正、负极“摇椅式”穿梭实现能量存储和释放的目的;不同于金属离子电池,近几年来双离子电池获得飞速发展,其工作原理基于阴离子在正极的脱/嵌反应,其主要优势在于:成本低、快充-快放、工作电压高等。然而,无论是金属离子电池,还是双离子电池,其发展均遇到很大瓶颈,如金属离子电池——比能量趋于上限、成本高,而双离子电池——电极材料选择有限(目前主要为石墨或改性石墨)、电解液浓度高、比能量低于金属离子电池等,有没有一种储能选择,既能实现双离子电池的高电压、又能实现金属离子电池的高容量、低电解液浓度?

带着这种疑问,中山大学王成新教授、宋华伟研究员等在归纳前人有关金属离子电池和双离子电池研究的基础上,提出了一种新型高效可充电储能模式——阴阳离子接力电池。该储能体系结合了现有金属离子电池(如:锂/钠/钾碱金属离子电池、镁/钙碱土金属离子电池、锌离子电池等)阳离子嵌/脱式储能和双离子电池阴离子嵌/脱式储能的双重优点,正极通过阴离子与阳离子交替-接力式脱/嵌反应实现高效能量存储(如图1示)。通过阴-阳离子的接力嵌脱式储能,不仅充分提高了电解液中阴、阳离子的利用率,同时还丰富了电极材料选择的广度,为未来高能量、快充储能器件提供了一种新的选择。

图1. 阴-阳离子接力电池放电时正极双过程——阴离子脱出与阳离子嵌入图示。

为了详细说明这种储能模式,我们组装了基于锂/钠/钾金属负极和自支撑寡层石墨化碳膜正极的阴-阳离子接力电池器件原型,对其储能的基本过程和概念进行了演示和详细说明(如图2示),充电时,正极进行阳离子脱出和阴离子嵌入反应;放电时,正极进行阴离子脱出和阳离子嵌入反应。

图2. 器件原型草图(a)及循环伏安(b)、拉曼(c)、多晶粉末衍射(d-f)、能谱(g-i)对其工作机理的演示和验证。

器件测试表明:在未经任何电极优化措施的前提下,这些器件均表现出良好的高比能、长寿命、快充-快放等特性(如图3示)。相关论文在线发表在Small Science (DOI:10.1002/smsc.202000030)上。

图3. Li-PF6器件在高倍率工作时的稳定性及长寿命图示。