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吉林大学于吉红院士科研团队在固态锂空电池研发方面取得重要进展

来源:分析化学 阅读数:368 时间:2021-04-22 10:07:38

日前,吉林大学化学学院、无机合成与制备化学国家重点实验室、未来科学国际合作联合实验室于吉红院士研究团队在新型固态电解质及固态电池研发方面取得重要进展,该研究成果以“A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery”(基于分子筛电解质高稳定柔性固态锂空气电池)为题发表在《自然》上(Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03410-9)。

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锂空气电池具有超高的理论能量密度,被誉为革命性电池技术。其中,固态锂空气电池较传统的液态锂空气电池具有更高的安全性和稳定性。固态电解质是固态电池的关键材料。适用于固态锂空气电池的固态电解质,除满足高离子电导率和良好的界面相容性外,还应满足:对空气成分稳定,使电池能够在空气中运行;抗氧化能力强,以抵抗电池运行过程中产生的具有强氧化能力的氧还原中间体的腐蚀。而常见的无机固态电解质材料,如石榴石、钙钛矿、NASICON和硫化物等由于对环境空气成分或金属锂负极不稳定,不能满足固态锂空气电池实际运行的要求。更严重的是,常用固态电解质较高的电子电导率使金属锂易在电解质内部成核和生长,导致电池短路进而引发安全事故。兼具高稳定性和高环境适应性的固态电解质材料的缺乏严重制约了固态锂空气电池的发展和应用。
吉林大学于吉红院士研究团队设计研制了一种基于分子筛薄膜的全新固态电解质材料,该电解质展现出高达2.7×10−4S cm−1的离子电导率、低至1.5×10−10S cm−1的电子电导率、以及对空气成分和锂负极的高度稳定性,有效解决了传统固态电解质材料的界面构建困难、内部锂枝晶和稳定性差等问题,并通过原位生长策略设计构建了一体化柔性固态锂空气电池(图1a)。得益于良好的“电解质-电极”低阻抗接触界面(图1b),该电池在实际空气环境中展现出12020 mAh g−1的超高容量和149次的超长循环寿命(500 mA g−1和1000 mAh g−1),远优于基于当前最稳定的NASICON型LAGP固态电解质的固态锂空气电池(12次),甚至优于同等条件下使用有机电解液的锂空气电池(102次)(图1c)。同时,该电池展现出优异的柔性、高的安全性和良好的环境适应性(图1d-f),并兼顾环境友好、成本低廉、工艺简单的生产需求。分子筛固态电解质的应用还有望拓展到锂离子电池、钠离子电池、镁离子电池、钠空气电池等固态储能体系,展现出广阔的应用前景。新型分子筛固态电解质的成功研制,为固态电解质材料和固态储能器件的发展提供了新思路。

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图1:a,分子筛基固态锂空气电池一体化设计。b,分子筛固态电解质-碳纳米管正极一体化结构的扫描电镜图和透射电镜图。c,基于有机电解液、商用LAGP和分子筛固态电解质的锂空气电池的循环寿命对比。d,厚度仅为0.33mm的固态锂空气电池的光学照片。e,固态锂空气电池的柔性。f,固态锂空气电池的安全性和环境适应性。

这一研究工作得到了国家自然科学基金、111项目等支持。吉林大学为论文唯一完成单位。吉林大学于吉红教授和徐吉静教授为论文的共同通讯作者,吉林大学在读博士研究生迟茜文为论文第一作者。

来源:吉林大学