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材料科学与工程学院王成新教授团队在室温钙金属电池高电压储能领域取得重要进展


稿件来源:材料科学与工程学院 | 编辑:谈荣钰、王冬梅 | 发布日期:2021-02-23 | 阅读次数:


       锂离子电池,得益于其稳定优异的储能特性,已广泛应用于各类便携电子产品。随着其能量、功率密度的提升,近年来,越来越多地应用于电动车、智能电网等能量密集型领域。然而,随着市场需求的进一步提高,尤其是电动车对长续航的持续需求,逼近理论极限的传统锂离子电池已渐露疲态。碱金属负极具有较低的理论电位和较高的理论容量(如:锂金属负极质量容量约为3855 mAh g-1,相当于商业化石墨负极的10倍以上),在高比能能量存储领域(>350 Wh kg-1)展现重要潜力。尽管偶尔有报道声称研发出比能量密度大于350 Wh kg-1的单体电池,但受限于枝晶生长、热失控等安全问题,短期内其大规模商业化应用仍不太现实。相比锂而言,钙金属具有更广的丰度、更高的安全性和更和谐的环境友好性,更重要的是二者具相近的理论还原电位(Li, -3V vs. Ca, -2.9 V);而且等物质量的离子,钙离子能传输更多的电荷,也就意味着更大的理论容量。令人遗憾的是,受限于极易退化的电化学沉积/剥离过程,钙金属电化学氧化/还原过程极不稳定,伴随着失控阴离子腐蚀和大幅度的极化电位漂移。究其原因,主要在于缺少合适的电解液体系及与之匹配的稳定电极-电解液界面——固态电解质中间相。

       有鉴于此,中山大学材料科学与工程学院王成新教授团队首次引入Na/Ca复合固态电解质中间相,用于解决钙金属在电化学沉积/剥离过程中的失控氟化和沉积电位漂移现象;如下图所示为核心思想示意图,通过在钙金属表面形成稳定、致密的Na/Ca复合固态电解质中间相界面保护层,从而成功遏制电导绝缘性CaF2不断形成。

 

本文核心思想简图

 

       通过Na/Ca复合固态电解质中间相保护层的引入,钙/钙对称电池的电化学沉积/剥离过程从几十小时提升至上千小时以上;基于此钙负极和自支撑膨化石墨化碳膜正极的钙金属电池,在300 mA g-1的充放电倍率和2.0-4.5 V的电压窗口下,可以稳定循环1900次,容量持有率保持在83%,该工作目前是关于高电压钙金属电池领域的首次报道(>4V)。相关内容以“Hybrid Solid Electrolyte Interphases Enabled Ultralong Life Ca-Metal Batteries Working at Room Temperature”为题,以封面的文章(back cover)的形式发表在材料领域的重要期刊Advanced Materials上,其中宋华伟研究员为第一作者,王成新教授为通讯作者,该工作获得国家自然科学基金和中山大学高校基本科研业务费等项目的大力资助。

 

       论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202006141

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