传统电池使用的是液态电解液以及金属氧化物作为正极材料,同过阳离子在固液界面通过循环性的迁移实现电化学储能。锂电池有机电解液的带隙窗口是,但是它的 LUMO 低于碱土金属并且易燃。如果电池负极的电压(费米能级)低于锂金属的费米能级(1.3eV)就会在电池的负极形成一个 SEI 膜来防止电解液在负极放生还原反应。当高电压的锂离子电池的 SEI 膜中的锂来自于正极材料时会降低电池的容量。目前,市场上使用的移动设备的电源绝大部分使用的是碳负极,但是它的体积容量很低,并且正极的氧化物在工作电压高于 4.3V(vs.Li+/Li)时,材料的结构会变得不稳定。因此,需要一个昂贵的系统来管理复杂的电池充放电过程。人们尝试使用锂合金负极来提高电池的体积容量,但是失败了。金属钠由于价格低廉,并且易得,引起了人们的注意。但是钠电池的容量普遍低于锂电池,并不能达到目的。

 

最近,来自于美国 The University of Texas at Austin 的 JB Goodenough 团队在 Energy&environmentalscience 上发表了题为“Alternative strategy for a  safe regeable battery”的文章报道了一种新型的玻璃态固体电解质,室温下该电解质的的锂离子和钠离子的迁移率为 10-2Scm-1,并且能有效的抑制锂 / 钠枝晶的生长,大大提高了电池的安全性能。传统的液态电解液使得电池的安全性能受到威胁,但是本文的提出通过在电解质表面镀锂 / 钠层的方式提高全固态电池的性能。并且这种电池跟传统电池的区别是,没有了负极的脱嵌行为,而是在电解质作为反应中心提供反应的位置。

 

 

图一:Li-S 电池,电极材料循环前后对比

 

 

图二:电极镀层过程示意图,及理论解释

 

 

图三:钠电池循环性能

 

这种在固体电解质表面镀锂 / 钠层的方法值得人们重新思考安全电池的发展方向。作者还提出,将传统的脱嵌式电极材料换成具有这种反应中心的低成本的电解质,能大大提高电池的能量密度和循环寿命以及安全性能。

 

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