中科大:水系锂电,能量密度135Wh/kg,寿命>1000次,中等浓度电解液也可达到高能量密度!

中科大:水系锂电,能量密度135Wh/kg,寿命>1000次,中等浓度电解液也可达到高能量密度!【研究背景】

水系锂离子电池具有本征安全、易于制备的有点非常适用于大规模储能。但是水系电解液电化学窗口窄以及强烈的腐蚀性导致水系电池能量密度低,循环寿命短,缺少合适的正极集流体。


【工作介绍】

近日,中国科学技术大学钱逸泰侯之国课题组等人制备了一种三水高氯酸锂和尿素的深共晶电解液,该电解液中锂离子浓度只有5M。但是电解液电化学稳定窗口能够达到3.2 V,该电解液成本低、粘度小、离子电导率高。另外,还制备了一种石墨烯涂覆的铝箔正极集流体,耐腐蚀性强,电导率高,加工性优异,成本低。采用锰酸锂作为正极材料,钛酸锂作为负极材料组装全电池,电池能量密度高达135瓦时每公斤,循环寿命科大1000次 。该文章发表在国际顶级期刊Energy Storage Materials上。


【内容表述】

相比于最近广泛研究的LiTFSI电解质,三水高氯酸锂具有成本低、无毒的优点。与尿素以1:1的比例进行混合可以形成熔点-20 ℃的深共晶电解液。该电解液成本低、粘度小、离子电导率高,非常具有实际应用价值。尽管电解液中含有高氯酸根和尿素,但是电解液热稳定性高,在150℃高温下也不会发生分解等反应。铝箔作为锂离子电池集流体已经得到广泛应用,但是在水系环境中,极易被腐蚀。而传统的水系电池正极集流体一般为钛网、不锈钢网、石墨纸等材料,这些材料加工性能差,电导率低,成本高,不具有实际应用可能性。因此,必须开发成本低,耐腐蚀性强,加工性好的正极集流体,才有可能推动水系电池的实际应用。石墨烯涂覆在铝箔表面,具有耐腐蚀性好、疏水性高的优点,使得其在水系电解液中可以作为正极集流体使用。

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深共晶电解液拉曼和核磁表征证明该电解液中自由水的含量大大降低,LSV测试表面电解液电化学稳定窗口得到大大拓宽,可达3.2V。

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扫描和AFM表征表面石墨烯在铝箔表面涂覆非常均匀,厚度为500纳米左右。


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接触角测试表面石墨烯涂覆的铝箔是疏水性,这有利于活性物质曾和集流体的粘附力,大大增加了活性物质层在集流体表面的剥离强度。LSV和计时-电流测试表明石墨烯涂覆铝箔具有非常强的耐腐蚀性能。


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锰酸锂正极-钛酸锂负极组装全电池电化学性能优异,倍率性能可达30C,长循环寿命可达1000次。

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TEM和XPS检测发现,在负极钛酸锂表面生成了一层SEI膜,该SEI膜能够抑制析氢,防止电解液与负极材料的副反应。

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12Ah软包电池能量密度可达65瓦时/千克,3A电流进行充放电测试,寿命可达400次。


总之,采用三水高氯酸锂和尿素深共晶电解液,石墨烯包覆铝箔作为集流体,能够有效提高水系电池能量密度和循环寿命,组装的锰酸锂-钛酸锂电池具有应用于大规模储能的前景。


Xueqian Zhang, Jiawu Chen, Zhibin Xu, Qi Dong, Huaisheng Ao, Zhiguo Hou, Yitai Qian, Aqueous electrolyte with moderate concentration enables high-energy aqueous rechargeable lithium ion battery for large scale energy storage, Energy Storage Materials, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.01.009


作者简介:

侯之国 中国科技大学特任副研究员,主要进行水系锂、钠、锌离子电池正负极材料以及电解液改性等研究,以第一/通讯作者发表SCI论文16篇。


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参考文献: