探秘实验室③ | 隔膜改性,创造下一代电池

学术   2024-10-21 17:58   浙江  


今年一月,科创中心未来科学研究院张漩研究员团队利用金属有机框架(MOFs)化合物对电池隔膜升级改性,使得其在160℃高温下保持原状,并具备隔膜阻燃的特性;三月,传化创新研究院李如宏研究员团队采用定向包覆技术结合界面结构调控,大幅提升石墨材料的快速充放电性能;九月,李如宏研究员团队又以原创“介电调控策略”技术,形成更致密且富含无机物的固体电解质界面膜,开发能量密度高达500Wh/kg锂金属软包电池......


对于下一代电池,你有什么期待。
电池的“通病”又该如何解决?



近日,浙江大学杭州国际科创中心(简称科创中心)未来科学研究院先进微纳储能研究室 Muhammad Yousaf 研究员团队针对钠金属电池枝晶、低库伦效率问题,提出将一种以掺杂氮的介孔空心碳球为内层、覆有氟化钠的商用聚丙烯隔膜为外层的多功能隔膜,通过隔膜改性实现钠金属电池的稳定循环,显著提高了电池性能和使用寿命。相关成果发表在《Journal of Energy Chemistry》。



钠金属电池,

下一代电池界“新秀”


马路上行驶的新能源电车、我们的移动设备通常用的是锂电池。锂电池具有高能量密度的优势,但锂资源相对稀缺,价格也在日益上涨

这就让钠金属电池脱颖而出,成为呼声最高的电池“新秀”。从原材料供应的角度来说,钠在地壳中的储量约为锂的1000倍,稳定充足储量降低了电池的生产成本,可能实现大规模的应用。同时钠的开采和提炼对环境影响也较小,更符合可持续发展的要求。
不过,钠金属和锂金属具有一个“通病”——枝晶。枝晶形成最根本的原因是高活性的钠金属极易与电解液发生反应,在表面形成一层厚而疏松的固体电解质膜,尖端效应导致金属离子在凸起处积聚,不均匀沉积形成枝晶
雪花状的枝晶刺穿隔膜,就会导致电池短路引发爆炸,存在安全隐患;同时电池充放电时,沉积在负极上的钠剥离会发生损耗,也影响了循环寿命。”Aadil 博士介绍道。


新款双层隔膜!

“一招”化解电池通病


枝晶的生长严重影响了钠金属电池的实际应用。既然枝晶是由钠离子积聚形成的不均匀沉积,那么能否设计一种改性材料,调节离子的运输,实现钠离子的均匀沉积

带着这样的构想,团队提出了一种多功能双层隔膜。与单层隔膜相比,这种隔膜对钠离子运输进行“层层把关”,实现钠金属电池的稳定循环,并获得更高的电化学性能。


Aadil 博士详细解释道,“内层介孔空心碳球作为钠离子再分配器,可以诱导实现钠离子均匀通量;中空介孔结构提供了纳米多孔缓冲器和离子通道,从而调节钠离子分布和均匀沉积;覆有氟化钠的外层商用聚丙烯隔膜,构建了坚固的固体电解质界面,减少钠离子的扩散障碍。”

Yousaf 研究员表示,对钠金属电池的突破性设计不仅提高了稳定性和循环寿命,还能实现电池快速充电,为下一代钠金属电池在成本效益和实际应用方面探索出新的可能。将来,钠金属电池有望超越锂电池,广泛应用于能源存储和新能源汽车市场

文字:何心怡

本文编辑:何心怡

审核:潘怡蒙

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