中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
E01組供稿
第72期
2020年09月14日
低鹽濃度電解液再降鈉離子電池成本

  電解液是儲能電池不可或缺的重要組成部分,而調控電解液濃度是實現其功能化設計的有效策略之一。近年來,高鹽濃度電解液因其特殊的體相與界面特性被廣泛用于金屬鋰電池、水系電池等(本課題組曾于2013年首次提出“Solvent-in-Salt”電解液用于金屬鋰電池,Nature Communications 2013, 4, 1481,引用1224次)。但與此相反,降低鹽濃度可能會帶來濃差極化,所以目前實際鋰電池應用大多集中于標準的1 M濃度,從而使得低鹽濃度電解液一直沒有得到系統的研究。鈉離子的Stokes半徑和脫溶劑化能均比鋰離子的要低,因此理論上采用較低的鈉鹽濃度也可實現足夠的動力學性能,從而使得超低鹽濃度電解液應用于鈉離子電池成為可能。考慮到鹽的成本通常是溶劑的十倍以上,減少鈉鹽使用可以有效降低鈉離子電池的成本,從而有利于鈉離子電池在儲能領域的大規模應用。

  近日,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源重點實驗室E01組博士生李鈺琦和楊佯在胡勇勝研究員、陸雅翔副研究員的指導下,將六氟磷酸鈉(NaPF6)溶解于碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC),首次設計了一種可應用至鈉離子全電池的低鹽濃度電解液(0.3 M濃度)。得益于電解液的低粘度、低氫氟酸腐蝕以及形成的富含有機成分的固體電解質中間相等(對比1 M濃度),電池工作溫度窗口得到明顯的拓寬(-30至55°C)。中科海鈉科技有限責任公司研發團隊進一步研制了基于低鹽濃度電解液的Ah級電芯,3000周后容量保持率80%以上。低鹽濃度電解液概念的提出為可充式電池在極端條件下穩定運行提供了新思路,未來低鹽濃度電解液概念有望擴展到其他的電解質體系及其他低成本儲能電池。

  該研究結果近日以“Ultralow-Concentration Electrolyte for Na-Ion Batteries”為題發表在國際能源領域頂級期刊《美國化學會能源快報》(ACS Energy Letters)上。

  相關工作得到了國家杰出青年科學基金(51725206)、中國科學院A類戰略性先導科技專項(XDA21070500)和長三角物理研究中心的支持。

 

圖1:低鹽濃度電解液基鈉離子全電池示意圖

 

圖2:預估的不同鹽濃度下電解液成本(假設鹽是溶劑價格的11倍,按最高值歸一化)

圖3:(a)不同濃度電解液特性變化、分子/離子之間的相互作用以及界面膜成分的相關變化。(b)NaPF6 in EC/PC電解質在25°C和0°C下離子電導率和粘度的濃度相關性。(c)在25°C以0.3C(30 mA g-1)的電流密度使用不同濃度的電解液的循環穩定性。

圖4:(a和b)使用0.3 M和1 M電解液在0°C,25°C和55°C下電池的電化學性能。(a)0.1 C首周充放電曲線。相關的首周庫侖效率在括號中注明。(b)0.3C的循環穩定性。(c和d)帶有Ar+蝕刻的XPS測試分析電池以0.1C倍率循環一圈后電極表面鈍化化學。 在(c)負極界面膜和(d)正極界面膜上檢測到的C(C 1s)+ O(O 1s)和P(P 2p)+ F(F 1s)元素的原子比。

圖5:低鹽濃度電解液在鈉離子電池Ah級電芯中放大驗證