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复旦大学提出一种新型锂离子电池体系

导读: 近日,复旦大学化学系、新能源研究院夏永姚教授课题组首次提出一种新型的锂离子(钠离子)电池体系,该体系正极采用一种含有碘离子、锂离子/钠离子的水溶液,负极采用一种固态有机聚合物,电解质采用硝酸锂或硫酸锂的水溶液,聚合物离子交换膜作为隔膜将液态正极和固态负极分隔开。

  近日,复旦大学化学系、新能源研究院夏永姚教授课题组首次提出一种新型的锂离子(钠离子)电池体系,该体系正极采用一种含有碘离子、锂离子/钠离子的水溶液,负极采用一种固态有机聚合物,电解质采用硝酸锂或硫酸锂的水溶液,聚合物离子交换膜作为隔膜将液态正极和固态负极分隔开。

  相关研究成果(“Environment-friendly Aqueous Li (or Na)-ion Battery with Fast Electrodes Kinetics and Super-long Life”)发表在国际顶级学术刊物《科学进展》(Science Advances,Vol. 2, no. 1, e1501038; DOI: 10.1126/sciadv.1501038)上。该杂志为Science刊物旗下子刊,是一个涵盖所有学术领域的开放性、综合性科学刊物。复旦大学先进材料实验室2014级博士生董晓丽为该论文的第一作者。文章得到了审稿人一致的高度评价(Overall Evaluation: Excellent and Exciting),认为“作者提出了一种新颖的电池体系”(“The authors present an original battery system”),“电池的动力学反应快、寿命长、安全性高,使得这项工作创新而且重要”(“Moreover, this battery displays inherent fast electrodes kinetics, long life and high safety which make this work quite important and innovative.”)。

  据介绍,传统的锂离子电池的工作原理是基于锂离子在正负极电极的嵌入/脱嵌,也称“摇椅式电池”。 新型电池工作原理与传统的锂离子电池相似:正极反应基于溶液中I3-/I-电对的氧化还原,负极反应基于聚酰亚胺上羰基的可逆烯醇化反应,锂离子/钠离子聚合物交换膜为电池隔膜,充放电过程中伴随着锂离子Li+(或钠离子Na+)在正负极之间的迁移。与传统电池有限的循环寿命和功率密度相比,该体系中电池的正负极电极反应均不涉及离子在固体材料中的扩散及其由此引起的充放电过程中电极材料的体积,能够将电池的高能量密度和电容器的长循环寿命与高功率密度有效地结合起来。实验表明,正负极材料均表现出较快的电极反应动力学,使得电池表现出类似电容器的高功率性能。电池在0 ~ 1.6V的电压窗口之间充放电,可以循环高达50,000次,这远远超过了传统可充电电池的循环寿命(< 10,000次)。

图1. 基于液态正极和固态负极的水系锂离子/钠离子电池

  相对于现有使用金属氧化物电极材料或有机电解质溶液的二次电池和液流电池,这种新型的锂离子(钠离子)电池体系中所有的组分(包括水溶液电解液和电极材料聚酰亚胺和碘基活性物质)都是环境友好无污染的。而且该电池体系中电极反应并不涉及金属元素的氧化还原,这也大大降低了电池的制造成本。该电池具有能量密度高、功率密度大、循环寿命长、安全性高、成本低等优异的性能,将来可望用于风力、太阳能发电等能量储存、智能电网峰谷调荷等。

  研究得到了国家自然科学基金委、上海市科委和教育部能源材料化学协同创新中心(2011·iChEM) 的资助。

 

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