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[材料资讯] 何建平课题组:室温Li离子高电导率固态陶瓷隔膜

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
锂-氧电池(LOB)作为替代传统化石燃料动力源的潜在能源存储装置,具有高达3500 Wh kg-1的能量密度。但现如今被广泛研究的有机体系锂-氧电池,却一直受限于有机电解液的易燃、易挥发以及低电化学活性窗口等问题。在实际应用中,无机固态电解质具有诸多优越性,尤其是从安全性问题方面考虑。

固态陶瓷隔膜

固态陶瓷隔膜
在研究中,我们引入了NASICON型固态电解质(Li1+xAlxGe2−x(PO4)3)与高效双功能电催化剂NiCo2O4纳米片为电池正极材料,构建了全固态锂-氧电池。其中NiCo2O4纳米片的获得为精准控制MOF表面Ni的刻蚀量,在保持材料纳米片形貌的前提下,获得Ni与Co比例的最佳状态。随后在煅烧过程中,保持纳米片形貌,有机物挥发产生大量内部孔道。另一方面,该固态电解质隔膜LAGP是为通过固态反应法获得。我们通过调节Al掺杂LiGe2(PO4)3,在不改变其晶体结构的前提下,获得了在室温Li离子电导率高达4.5×10-4 S cm-1的固态陶瓷隔膜。该类型的陶瓷隔膜具有高达6 V(vs Li/Li+)的电化学工作窗口,非常适合于锂-氧电池的工作区间(2-4.5 V)。相比较而言,传统的有机体系,其最大的工作电位为4.3 V,并在高电位下有大量的分解,造成电池性能的大幅衰减。而本文中,他们结合高性能催化剂与固态电解质隔膜,所组装的全固态锂-氧电池具有高达5534 mAh g-1的比容量,并能在100 mA g−1的电流密度比容量1000 mAh g-1下,长时间循环90圈(900小时)。
相关研究成果以“All Solid-State Lithium-Oxygen Batteries with MOF converted Nickel Cobaltate Nanoflakes Arrays as highperformance oxygen cathode”为题发表在Nature index期刊Chemical Communications(《化学—通讯》)上,全文链接https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cc/c9cc05685h#!divAbstract。该项工作的第一作者为南京航空航天大学的博士生龚浩,通讯作者为材料学院何建平教授、王涛副研究员以及日本国立材料研究所马仁志研究员。该项研究得到了国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助。

何建平,南京航空航天大学教授,博士生导师。2004~2007年任材料科学与技术学院副院长,2008~2014任院长。政协南京市第十一、十二届、十三届常委。南京市表面处理研究会理事长、南京表面处理行业协会副会长。主要从事新能源材料与电化学、功能薄膜制备与隐身材料、材料环境性能评价等方面的研究。近五年来在ACS.AMI、Chemistry European J、Carbon、NANOSCALE、J MATER CHEM、J PHYS CHEM C等国内外学术期刊上发表学术论文100余篇,被引用400余次。

     王涛,南京航空航天大学副研究所。2012年获南京航空航天大学材料物理与化学博士学位,导师何建平教授。2013年-2015年进入日本国家物质材料研究所(NIMS)从事博士后研究,任MANA研究员,合作导师为光催化领域的著名科学家叶金花教授。2015年6月回到南京航空航天大学材料学院工作。研究主要围绕多孔碳材料及其与过渡金属氧化物、贵金属等的纳米复合材料的合成,致力于开发适用于新能源领域(燃料电池、锂氧电池、人工光合成)的(1)新型电化学能源技术(电催化析氢、电催化氧化原等)和(2)人工光合成技术(光电催化、二氧化碳的光还原,光解水等)的潜在新型纳米功能材料。应邀担任Advanced Materials,ChemSusChem,Chemical Communication,ACS Applied Materials & Interfaces,Catalysis Science & Technology,Carbon,APL Materials,Electrochimica Acta,Corrosion Science,Microporous & Mesoporous Materials,RSC Advances,Chemical Engineering Journal,Journal of Alloys and Compounds等国际知名期刊的审稿人。

       陶瓷隔膜纳米颗粒涂覆在隔膜上,可以增加隔膜强度。以现有的动力电池业态发展来看,“安全芯”的隔膜技术发展有三个阶段。
  第一阶段是高端纳米陶瓷隔膜技术。采用纳米陶瓷纤维隔膜,其结构和蜘蛛网类似,具有更高的保液量、更低的直流内阻、更好的循环寿命、更低的热收缩、更好的机械强度、更佳的安全性,尤其在耐热性等方面具有很大的颠覆力。
  第二阶段是Li传导纳米陶瓷隔膜技术。这种活性的陶瓷隔膜,具有独特的高安全性、高Li离子传导活性,大大提高了大倍率下的性能和高温性能,减少了电解液用量,对势能的提升也有非常大的帮助。
  第三阶段是固态锂电池技术。即把“电解液+隔膜”变成固体电解质。这种固体电解质第一个作用是快速传导,第二个作用是断隔作用,这是一个理想的作用。

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