吉林大学于吉红院士&徐吉静教授今日Nature:固态锂空电池新突破!

吉林大学于吉红院士&徐吉静教授今日Nature:固态锂空电池新突破!
吉林大学于吉红院士&徐吉静教授今日Nature:固态锂空电池新突破!
第一作者:Xiwen Chi
通讯作者:于吉红院士,徐吉静教授
通讯单位:吉林大学

锂空电池在现有电池系统中理论能量密度是最高的,然而电解液安全性以及锂枝晶等问题的存在,一直阻碍着其进一步发展。研究者们提出开发固态锂空电池(SSLAB),要求所用固态电解质除了具有高离子电导率,对锂金属负极的优异稳定性和良好的界面相容性外,还要在环境空气中稳定。为此,设计SSLAB固体电解质时要实现兼顾高环境适应性和优异的电化学性能,但目前来说这仍然是一项巨大的挑战。

【成果简介】
鉴于此,吉林大学于吉红院士和徐吉静教授(共同通讯作者)报道了一种高度稳定的柔性固态锂空电池,其中使用超薄、高离子电导的锂离子交换沸石X(LiX)膜(LiXZM)作为固态电解质,LiXZM具有高离子电导率,低电子电导率以及对空气和锂负极出色的稳定性。同时,固态锂空电池的集成结构中采用碳纳米管(CNT)作为正极,这有利于降低界面阻抗。沸石的固有化学稳定性有效抑制了电解质因锂或空气作用而引起的电池性能衰退。此外,与包含有机电解质的传统Li-Air电池相比,集成的SSLAB在环境空气中表现出优异的性能。

实验结果表明,该电池每克碳纳米管的容量为12020 mAh,在500 mA g-1电流密度和1000mAh g-1限制容量条件下,其循环寿命为149个循环。在相同条件下,该循环寿命大于基于LAGP的锂空电池(12个循环)和有机电解质的锂空电池(102个循环)的循环寿命。沸石基锂空电池的电化学性能,柔性和稳定性赋予其实际适用性,也可扩展到其他储能系统,例如锂离子,钠空和钠离子电池等。相关研究成果“A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li-air battery”为题发表在Nature上。

【核心内容】
一、电解质的设计与表征
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图1.沸石固态电解质的示意图和表征。(a)解决与锂空电池有关的的电解质性能的示意图;(b)与C-LiXZM集成的SSLAB的示意图以及LiX中Li+的传导机理;(c,d)这项工作中采用的原位沸石膜生长方法(c)与无机固态电解质的传统制备方法的比较(d);(e)使用辅助方法在不锈钢板上原位生长的LiXZM的SEM图像;(f)LiXZP的SEM图像;(g)LiXZM(顶部)和LiXZP(底部)的EIS图谱。

二、LiXZM-电极界面的构建
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图2.带有C-LiXZM的集成电池的结构和可逆性。(a)集成C-LiXZM的设计和制备示意图,CNT在氮气气氛下使用化学气相沉积(CVD)方法在不锈钢丝网上原位生长。在一侧上进行等离子体处理后,使用辅助方法将沸石膜原位生长在CNT-SS的亲水侧;(b)CNT-SS正极的SEM图像;(c)C-LiXZM的SEM图像,以及插图中显示的是CNT与LiXZM之间界面的TEM图像;(d)在电流密度为500 mA g-1时具有集成C-LiXZM,非集成C|LiXZM和C|LAGP的SSLAB的比容量;(e)经过不同次数的循环后,具有C-LiXZM和C|LAGP的SSLAB的EIS图谱;(f)LiXZM和LAGP的电化学窗口;(g)在电流密度为500 mA g-1且比容量限制为1000 mAh g-1的情况下,SSLABs放电电压与循环数的关系图。

三、与传统电池系统的比较
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图3.含C-LiXZM电池的性能。(a)LiXZM,玻璃纤维和Celgard隔膜的Gurley时间和透气率值;(b,c)在相同条件下带有有机电解质(b)和C-LiXZM(c)的电池放电产物的SEM图像;(d)第10个循环后,具有C-LiXZM和有机电解质(OE)的电池中放电产物的FTIR光谱;(e,f)经过1、10和60次循环后,带有有机电解质(e)和C-LiXZM(f)的电池中副产物的NMR光谱;(g)带有有机电解质和C-LiXZM的电池在500 mA g-1的电流密度下的放电电压,比容量限制为1000 mAh g-1

四、C-LiXZM SSLAB的安全性,稳定性和柔性
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图4.带有C-LiXZM的SSLAB的安全性,稳定性和柔性。(a)测得的带有C-LiXZM的SSLAB的厚度为330μm,当用镊子拾取时,该材料显示出弯曲;(b)证明了SSLAB的柔性:薄电池可以在不同的弯曲和扭转条件下为显示“ JLU”的红色发光二极管;(c)带有C-LiXZM的SSLAB在被切割和损坏后可以连续运行;(d)可以根据要求将带有C-LiXZM的集成SSLAB加工成不同的形状;(e)带有C-LiXZM的集成SSLAB为小型无人机提供动力。

【结论展望】
本文通过材料选择和结构设计,开发了一种高度稳定,柔性且集成的固态锂空电池。其中,LiX沸石膜作为无机固态电解质,成功克服了常规固态电解质的缺点,包括不稳定性,较差的界面相容性和低电导率。该固态锂空电池在环境空气中显示出高容量和高倍率性能,并具有长循环寿命。

【文献信息】
Xiwen Chi, Malin Li, Jiancheng Di, Pu Bai, Lina Song, Xiaoxue Wang, Fei Li, Shuang Liang, Jijing Xu,Jihong Yu,A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li-air battery, 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03410-9
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03410-9

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参考文献: