这个设计绝了!清华伍晖/崔屹Nature Energy又把锂电池玩出新高度!
晴天 纳米人 2018-07-05

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第一作者:Yang Jin, Kai Liu

通讯作者:伍晖、崔屹

通讯单位:清华大学、斯坦福大学

 

研究亮点:

1. 选用石榴石型LLZTO陶瓷管作为固态电解质,使液态金属可以在240℃温度下操作,史上最低。

2. 巧妙地结构设计得到了兼具高容量、高安全性和低成本的液态金属电池,进一步加快其商业化。

 

智能电网需要同时满足高容量、高安全性、低成本等特点。数十年来,虽然各种新材料和新技术层出不穷,真正实用化的大规模储能电池体系仍然待字闺中。

 

各种新技术中,上世纪60年代问世的液态金属电池体系在大规模储能领域表现不错,其中以熔融锂金属作为负极的液态金属电池尤其是其中的佼佼者。这种电池一般使用熔融金属盐电解质,至少存在以下两大问题:

1)由于锂金属熔点较高,导致电池工作温度一般杂质450℃以上,运营成本居高不下;

2)熔融盐中锂的溶解会导致自放电和较低的库伦效率(<98%)。

 

有鉴于此,清华大学伍晖课题组和斯坦福大学崔屹课题组合作,报道了一种基于固态电解质的液态锂金属电池,可在240℃左右温度下稳定工作!


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图1. 电池设计

 

研究人员以熔融锂金属为负极,熔融Sn-Pb或Bi-Pb合金为正极,选用了石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO)固态电解质陶瓷管。基于这种结构,研究人员组装了两种模型电池系统:Li||LLZTO||Sn–Pb和Li||LLZTO||Bi–Pb。

 

电解质以管状形式将熔融锂金属包裹在内,起到锂离子传导作用,同时隔离液态金属电极。之所以选用这种石榴石型的固态电解质,是考虑到其离子传导性会随着温度升高而大幅提高。同时,电池体系中形成液-固界面,而不是液-液界面,极大地降低了界面阻抗。

 

研究表明,这类电池确实表现出优异的功率容量和库伦效率以及循环稳定性。在50 mA cm-2和100 mA cm-2电流密度条件下稳定循环工作1个月之久,电池几乎没有发生容量衰退的迹象,平均库伦效率高达99.98%。至于功率容量,300 mA cm-2电流密度下可达到90 mW cm-2(Li||LLZTO||Sn–Pb),500 mA cm-2电流密度下可达到175 mW cm-2(Li||LLZTO||Bi–Pb)。


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图2. Li||LLZtO||Sn–Pb电池在240℃电化学性能


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图3. Li||LLZtO||Bi–Pb电池在240℃电化学性能

 

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图4. 冻结和解冻试验


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图5. 历年来液态金属电池操作温度对比

 

总之,这项研究为大规模储能系统的操作条件、安全性以及运营成本等方面都带来了新的启发。


 

参考文献:

Yang Jin, Kai Liu, Hui Wu, Yi Cui et al. An intermediate temperature garnet-type solid electrolyte-based molten lithium battery for grid energy storage. Nature Energy 2018.

https://www.nature.com/articles/s41560-018-0198-9

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