Advanced Energy Materials:高温(90℃至170℃)安全稳定的固态锂-二氧化碳电池

动力电池是新能源汽车不可或缺的组件。近年来,由于短路造成的起火、燃烧等安全问题一直是新能源汽车发展道路上的“绊脚石”。 相比于传统的基于液态电解质的锂离子电池,全固态金属锂电池具有高比能、安全、宽操作温度及电化学窗口等优势,是解决动力电池安全问题的有效途径之一。然而,固态电解质、电解质界面及电极材料中离子传输低,使得全固态锂电池难以在零摄氏度以下有效工作,这成为其推广应用的瓶颈。针对这一挑战,南京大学宋虎成/徐骏和周豪慎教授团队在前期太阳能光热转换和全固态锂-空气电池研究的基础上,合作提出一种能够直接利用太阳光在电池内部实现光-热-电协同转换以构建在特种环境和领域工作的安全高比能电池技术,即太阳能光热电池(Solar photothermal battery, SPTB)技术。基于该技术,通过设计金属等离激元序构催化剂(Ru和RuO2)来利用廉价丰富的太阳能和空气,他们相继开发了国际首款超低温全固态锂-空气电池(2020, 13, 1205-1211)和超宽温全固态锂-空气电池(Energy Storage Mater,2021, 39, 139-145)。然而,金属锂负极与固态电解质(特别是LAGP)之间的界面在高温下急剧恶化,导致基于此制备的全固态锂金属电池在高温下循环性能很差且易产生燃烧引发安全问题。因此,从高温下金属锂/固态电解质之间的界面物理和化学问题出发,通过引入高离子导电且稳定的人工界面层来构筑高温下安全稳定的高比能固态储能电池,填补锂电池在高温区(90℃至170℃)的研究空白,即温度处在高于有机体电解液的分解温度(90℃),低于金属锂的熔点(~180℃)的区间范围。这对于拓展锂电池的应用领域具有重要的研究意义和应用前景。

针对这一挑战,南京大学宋虎成徐骏团队以高温下稳定且具有高锂离子电导率的三元熔融盐作为人工界面层报道了一款在高温(90℃至170℃)下安全且稳定的固态锂-二氧化碳电池。该电池的结构包括锂阳极、熔融盐界面(MSI)、固态电解质和多孔阴极。其中,人工熔盐界面(MSI)层的引入不但提升了金属锂与固态电解质之间的界面物理接触和化学稳定性,而且能够有效抑制该界面在高温下因起火燃烧等引发的安全隐患。基于此制备的固态锂-二氧化碳电池在150℃的高温下,以500 mA g-1定容500 mAh g-1可稳定循环980 圈。南京大学电子科学与工程学院的宋虎成副研究员和徐骏教授为论文的通讯作者,2019级博士生王胜为第一作者。

本工作得到了南京大学周豪慎教授、余林蔚教授、陈坤基教授等的支持和帮助。工作获得了国家重点研发计划项目、基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点和青年项目、江苏省青年基金和南京大学卓越计划等的支持。此外,还得到了南京大学固体微结构物理国家重点实验室及人工微结构科学与技术协同创新中心等平台的支持。

图1. 基于人工界面改性的高温固态锂-二氧化碳电池

论文信息:

A High-Energy Long-Cycling Solid-State Lithium-Metal Battery Operating at High Temperatures

Sheng Wang, Ke Xu, Hucheng Song*, Ting Zhu, Zhiqian Yu, Xiaopan Song, Dongke Li, Linwei Yu, Jun Xu*, Kunji Chen

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202201866

原文链接:

https://doi.org/10.1002/aenm.202201866