深圳先進院研發出室溫長循環鈣基多離子電池
文章來源:深圳先進技術研究院     發布時間:2019-07-02

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其團隊成員郎集會、蔣春磊、方月等研發了一種具有高倍率、長循環的室溫鈣基多離子電池,創新性地提出了三離子設計策略,實現了高達15 C的倍率性能(容量保持率97%),并在5 C的倍率條件下循環1500圈仍具有86%的容量保持率,是目前已報道鈣基全電池中的最好性能。相關成果以Room-Temperature Rechargeable Ca-Ion Based Hybrid Batteries with High Rate Capability and Long-Term Cycling Life 為題發表在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials上。

  鈣豐富的資源儲量、與鋰接近的標準電極電勢以及二價態(電荷數目是鋰離子的2倍)特性,使得鈣離子儲能器件在儲能等領域具有良好的應用前景。然而,鈣金屬負極在常規有機電解液中形成鈍化膜,在室溫下難以實現可逆的沉積/剝離反應;此外,鈣離子半徑較大導致倍率和循環性能較差,嚴重阻礙了鈣離子儲能器件的發展。

  基于上述考慮,唐永炳(通訊作者)及其團隊成員郎集會(第一作者)、蔣春磊(共同第一作者)、方月(共同第一作者)等成功研發出一種基于三離子反應策略(Ca2+/Li+/PF6-)的新型鈣離子電池。通過研究二元相圖并結合理論計算,該電池選用可以同時與Ca2+Li+發生合金化反應的Sn金屬作為負極材料,選用可以與PF6-發生可逆插層反應的膨脹石墨作為正極材料。一方面,由于PF6-插層石墨良好的可逆性,避免了鈣離子在傳統正極材料中由于緩慢的動力學過程造成的倍率性能低、循環性能差的問題,為開發高性能鈣離子電池提供了更多的正極材料選擇;另一方面,通過雜化適量離子半徑小、擴散速率快的鋰離子,能有效改善鈣離子發生合金化反應的動力學性能。通過以上兩種反應機理的協同作用,顯著提高了鈣基多離子電池的電化學性能。研究結果表明,優化后的鈣電池在15 C的高倍率條件下容量保持率達到97%;在5 C倍率下循環1500圈容量保持率達到86%,是目前已報道鈣基全電池中的最好性能。該工作為設計室溫可逆鈣離子儲能器件提供了一種新的解決思路。

  該項研究得到國家自然科學基金優青項目、廣東省科技計劃和深圳市科技計劃項目等的資助。

   

 

鈣基多離子電池結構示意圖及循環性能曲線 

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