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鈉電池相對于鋰電池安全

2017-07-26

傳統電池使用的是液態電解液以及金屬氧化物作為正極材料,同過陽離子在固液界面通過循環性的遷移實現電化學儲能。鋰電池有機電解液的帶隙窗口是,但是它的LUMO低于堿土金屬并且易燃。如果電池負極的電壓(費米能級)低于鋰金屬的費米能級(1.3eV)就會在電池的負極形成一個SEI膜來防止電解液在負極放生還原反應。當高電壓的鋰離子電池的SEI膜中的鋰來自于正極材料時會降低電池的容量。目前,市場上使用的移動設備的電源絕大部分使用的是碳負極,但是它的體積容量很低,并且正極的氧化物在工作電壓高于4.3V(vs.Li+/Li)時,材料的結構會變得不穩定。因此,需要一個昂貴的系統來管理復雜的電池充放電過程。人們嘗試使用鋰合金負極來提高電池的體積容量,但是失敗了。金屬鈉由于價格低廉,并且易得,引起了人們的注意。但是鈉電池的容量普遍低于鋰電池,并不能達到目的。

最近,來自于美國The University of Texas at Austin的JB Goodenough團隊在Energy&environmentalscience上發表了題為“Alternative strategy for a  safe regeable battery”的文章報道了一種新型的玻璃態固體電解質,室溫下該電解質的的鋰離子和鈉離子的遷移率為10-2Scm-1,并且能有效的抑制鋰/鈉枝晶的生長,大大提高了電池的安全性能。傳統的液態電解液使得電池的安全性能受到威脅,但是本文的提出通過在電解質表面鍍鋰/鈉層的方式提高全固態電池的性能。并且這種電池跟傳統電池的區別是,沒有了負極的脫嵌行為,而是在電解質作為反應中心提供反應的位置。

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 圖一:Li-S電池,電極材料循環前后對比

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圖二:電極鍍層過程示意圖,及理論解釋

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 圖三:鈉電池循環性能

這種在固體電解質表面鍍鋰/鈉層的方法值得人們重新思考安全電池的發展方向。作者還提出,將傳統的脫嵌式電極材料換成具有這種反應中心的低成本的電解質,能大大提高電池的能量密度和循環壽命以及安全性能。


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