秦皇岛分校资源与材料学院在聚合物全固态锂-硫电池取得重要突破

作者:齐芳编辑:杨茗 管珊珊来源:秦分校更新日期:2022-12-05浏览次数:12

近日,秦皇岛分校资源与材料学院伊廷锋教授团队与南京大学科研团队合作在聚合物全固态锂-硫电池领域取得重要进展,研究成果“Light-Driven Polymer-Based All-Solid-State Lithium-Sulfur Battery Operating at Room Temperature(光驱动聚合物全固态锂-硫电池室温环境工作)”发表于材料领域国际顶级刊物Advanced Functional Materials(中科院一区,影响因子19.924)。秦皇岛分校青年教师王鹏飞为本文的第一作者,秦皇岛分校伊廷锋教授、南京大学宋虎成研究员和何平教授为论文通讯作者。东北大学为第一完成单位。

-硫电池具有极高的理论比容量(1675 mAh g-1)和比能量(2600 Wh kg-1);同时硫元素在地壳中含量丰富、环境友好,是一种非常理想的下一代电池选择。然而,传统的锂-硫电池通常使用液态醚类电解液,存在易燃、泄露的风险,从而引发一系列安全问题。采用固态电解质代替液态电解液,开发全固态锂-硫电池是解决上述问题的有效途径,也引发了学术界和产业界的广泛关注。相较于无机固态电解质的界面接触差和价格昂贵,以聚环氧乙烷(PEO)基聚合物为主体的固态电解质具有良好的加工特性、与电极接触紧密和成本低廉等优势,有望率先实现市场化规模应用。

然而,由于PEO基聚合物全固态锂-硫电池体系的离子传导主要通过Li+PEO基体非晶区链段配位点之间的跃迁,而PEO的室温结晶度高达7580%,导致电解质室温离子电导率低下(~10-6 S cm-1量级),远低于电池正常工作所需值,严重限制了其实际应用。

摘要图:(a)基于光热转化的PEO基全固态锂-硫电池工作机制示意图;(b)太阳光下电池表面的实际温度;(c)实际太阳光下电池在纯泡沫Cu集流体和三维Cu/Si-Cu集流体的充放电曲线。

基于此,该研究团队提出了一种新型的光热电池技术,以实现PEO基全固态锂-硫电池在室温环境下正常工作。本设计将三维Cu/Si-Cu纳米结构放置在锂负极和外层封装玻璃之间,利用纳米线结构的陷光效应使光能高效地进入吸收,实现在200-1000 nm宽波段高达94.9%的光吸收率;并利用Si纳米壳的载流子非辐射复合效应迅速产生热量,随后通过Cu核将热量迅速传递到整个电池系统。该电池在模拟太阳光照射下,电池反应动力学优异。在0.2 C下的容量为1089.9 mAh g-1,寿命超过20次。即使在实际太阳光照射下,也能达到1065.2/1036.5 mAh g-1的高放/充电容量,显示了良好的可逆性和潜在的应用前景。此外,该三维纳米结构还可以容纳锂在电镀/剥离过程中的体积变化,降低有效电流密度,从而抑制锂枝晶的产生。综上,本研究为利用光热技术开发室温聚合物全固态锂-硫电池开辟了道路。

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