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材料学院庞全全团队在快充熔盐铝电池领域取得重要突破

发布者:  时间:2022-08-24 23:06:31  浏览:

大规模储能系统是快速、健康实现我国双碳战略的重要途径。储能方式有很多种,包括抽水蓄能、压缩空气、飞轮储能、氢能储能以及电化学储能,虽然抽水蓄能当前占据了我国储能市场的90%,但是电化学储能因其高灵活性、对地域空间要求低、可模块化,将是未来储能的重要方式。

电化学储能当前主要为锂离子电池,以及最近兴起的钠离子电池和液流电池等。但当前的锂离子电池使用可燃的有机电解液,且受限于高成本、资源有限的锂元素,难以实现未来5-10年的时间尺度下持续的大规模渗透。因此,迫切需要发展高安全、低成本、资源战略安全的电池体系,以维持我国以及全球的大规模储能产业的健康发展。

可充电铝电池由于铝负极低成本、高地壳元素含量、高比容量的特点,是一种有前途的新一代储能体系。目前,已报道的铝电池体系通常使用离子液体电解液,不但成本高昂难以产业化应用,且面临着缓慢的反应动力学和有限的可逆容量,导致其差的倍率性能和较低的能量密度。

针对这一关键问题,北京大学材料学院庞全全团队及其合作者首次报道了一种高安全不可燃、超低材料成本、可实现快充的熔融盐铝电池。通过使用一种低熔点的无机氯化物熔融电解质,成功替代了当前的离子液体,实现铝电池的高倍率运行、低电压极化及高能量效率;同时熔融盐电解质的热稳定性高,不可燃,使得电池体系具有高安全性,解决了大规模集成系统安全性方面的疑虑。另外,该电池体系使用元素丰富的硫作为正极,在较低的温度110摄氏度下运行,表现出了高比容量及超快充特性。

作者发现,由NaCl-KCl-AlCl3组成的熔盐电解质包含有多种链状的AlnCl3n+1组分,如Al2Cl7,Al3Cl10和Al4Cl13,其Al-Cl-Al键的易断裂提供了快速的Al3+脱溶动力学,导致伴随的高法拉第交换电流,这是电池快速充电的根本原因。作者证明了铝和硫族单质间的多步转换途径,并实现了高达200C的快速充电,电池在非常高的充电倍率下持续数百次循环。

图1.无机熔盐电解质和铝-硫族电化学的基本特性。



团队首先探究了在熔融盐电解质中铝负极的可逆沉积/剥离行为以及硫族正极(S、Se和Te)的本征氧化还原电化学反应,证明了熔融盐电解质在正极侧和负极侧均具有低极化、高反应可逆性。通过测试Al|Al对称电池在不同工作温度下Al沉积/溶解的交换电流密度,定量评价三元熔融盐和离子液体两种电解质的电荷转移动力学。结果分析表明在相同工作温度下,熔融盐电解质中实现的交换电流密度比离子液体高一个数量级,且活化能仅为0.19 eV,低于离子液体(0.26 eV),证明其具有更快的电荷转移动力学。进而采用拉曼光谱和核磁共振谱,结合分子动力学模拟,系统分析无机熔融盐电解质和离子液体中的团簇构型、铝离子配位结构及其脱溶剂化动力学,进一步揭示了无机熔融盐电解质具有丰富的高阶AlnCl3n+1组分,更利于脱溶剂化,这是熔融盐电解液快速反应动力学和抗枝晶生长特性的根本原因。

此外,团队采用原位同步辐射X射线近边吸收谱和原位X射线衍射技术,揭示了熔融盐铝-硒电池的多步转换反应机制。所组装的熔融盐铝-硫电池和铝-硒电池均展现优异的快充特性(可长期在50C-100C的超快充电倍率下稳定循环)。该熔融盐新体系使得经历晶格全重构的转换型电极材料具有快充性能,极大拓宽了限于传统嵌入型快充电极材料的范围。该工作对新型电解质研究和多价金属电池的开发具有借鉴意义,为下一代高性能、低成本、高安全电池新体系的理性设计提供了全新思路。

图2.熔融盐Al-S电池的电化学表征。


该工作成果近日以“Fast-charging aluminium-chalcogen batteries resistant to dendritic shorting”为题发表于《自然》杂志(Nature2022,DOI:10.1038/s41586-022-04983-9)。该研究是由北京大学庞全全团队和麻省理工学院、滑铁卢大学、武汉理工大学、阿贡国家实验室等单位合作完成,北京大学为第一通讯单位,庞全全为论文第一作者和通讯作者,Sadoway为论文共同通讯作者,北京大学材料科学与工程学院博新计划博士后孟甲申、博士生洪旭峰主要参与了该研究。本研究得到国家自然科学基金和博士后创新人才支持计划的支持。庞全全课题组链接为:pang-eetl-pku.com

原文链接(https://www.nature.com/articles/s41586-022-04983-9)