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低过电势、高能量效率的准固态柔性纤维状锂-二氧化碳电池

2018-12-12

近年来,随着可穿戴电子设备的快速发展,人们对设备电池附件柔韧性和能量密度的要求越发提高,而传统的商业化锂离子电池因其刚性的二维结构和有限的储能能力,已经逐渐不能满足可穿戴电子设备的快速发展需求。Li-CO2电池是最近提出的一种环境友好的新型高能量密度金属气体电池,也是极具潜力的下一代能量存储系统候选方案之一。然而,目前Li-CO2电池正极催化剂的开发多集中于碳纳米相粉末。一方面,碳材料的催化活性有限,其诱导形成的放电产物Li2CO3需要在4.2 V以上的高电势才可部分分解,导致电池往往受到循环稳定性较差、能量效率低等问题;另一方面,粉末状的催化剂需要涂覆到集流体(如碳纸、泡沫镍)上才可制备成多孔的气体电极,这使得目前的Li-CO2电池多为二维刚性的块体结构且系统质量被不必要地大幅增加了。再加之,在传统Li-CO2电池单体中常使用的液态电解液存在电解液泄露、易燃等安全隐患,因此,目前很少有关于适用于可穿戴电子设备Li-CO2电池器件的报道。




1. a)准固态柔性纤维状Li-CO2电池的制备过程示意图;(b-i)CC@Mo2C NPs柔性自支撑正极催化剂的形貌与结构表征。


图2. a-e)CC@Mo2C NPs柔性自支撑正极催化剂在凝胶电解液(GPE)条件下的电化学性能;(f)CC@Mo2C NPs与已报道Li-CO2电池催化剂的性能对比。

针对上述问题,中国工程物理研究院化工材料研究所新材料中心王斌团队通过简捷的水热和煅烧还原法制备了负载超细Mo2C颗粒(<20nm)的多孔碳纳米管布,并将其作为无粘结、自支撑、柔性的高效催化正极,与LiTFSI-TEGDME/PVDF-HFP/HMPP-TMPET凝胶电解液匹配,首次构建了具备低过电势、高能量效率的准固态柔性纤维状Li-CO2电池。由于CNT基体和Mo2C纳米颗粒的协同作用,其实现了低于3.4 V的充电电势,~80%的能量效率,并且能可逆循环40圈。实验及理论模拟结果显示Mo2C能通过协同电子转移而稳定Li-CO2电池的中间放电产物Li2C2O4,从而显著降低该电池的过电势。团队所制备的准固态柔性纤维状Li-CO2电池具备117 Wh/Kg的高能量密度(基于整体器件质量),可长时间点亮三个高功率白光LED0.6 W),并且也能在不同变形条件下正常工作,这促使该柔性金属气体电池成为了可穿戴电子设备先进储能附件的优异候选者。


                                                      图3. 准固态柔性纤维状Li-CO2电池器件的应用展示


  总之,该工作不仅阐释了含有中间价态金属原子的过渡金属碳化物作为经济、高效Li-CO2电池正极催化剂的巨大潜力(稳定2电子反应,降低过电势),也验证了使用无粘结剂、自支撑复合催化剂来构建一维准固态柔性纤维状Li-CO2电池的可能性,加速了Li-CO2电池走向实际应用的步伐。


该工作的第一作者为新材料中心青年科研人员周静雯,通讯作者为程建丽副研究和王斌研究员,研究论文 “A Quasi-Solid-State Flexible Fiber-shaped Li-CO2 Battery with Low Overpotential and High Energy Efficiency” 已发表在国际顶级期刊Advanced Materials if=21.950)。 

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201804439












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