李福军课题组---南开大学 李福军课题组---南开大学 News
You are here:Home > Contact

【Research科学研究】空气也可以做电池了?南开大学李福军:构建一种新型钠钾氧混合型空气电池 2019/02/21

       


        2019年1月16日,南开大学李福军研究员课题组以金属钠作为负极,含钾离子的有机电解液和多孔碳纸作为正极,首次构建了一种混合型空气电池,表现出低的充放电过电压,高的库伦效率和优异的循环性能,为金属空气电池的发展提供了新的思路。这项研究以“A Hybrid Na//K+-Containing Electrolyte//O2 Battery with High Rechargeability and Cycle Stability”为题,发表在《Research》(Research. 2019, DOI: 10.1155/2019/6180615)上。

研究背景

        随着可便携电子设备和电动汽车的快速发展,开发具有更高能量密度的电池体系变得至关重要。空气电池,顾名思义,也是化学电池的一种,它的构造原理与普通干电池相似,但它是利用空气中的氧气作为活性物质,代替一般干电池中的氧化剂(二氧化锰)。从理论上讲,这就使得空气电池的正极容量密度可以达到无限,理论容量比普通的充电电池提高10倍。

空气也可以做电池了?南开大学李福军:构建一种新型钠钾氧混合型空气电池

电动汽车(图片来源:科技导报)

        空气电池有着比能量大、质量轻、低毒性和低危险性等优点,受到的工业界的青睐。目前已经发展出了镁空气电池、锂空气电池等一系列体系。在各种电池体系中,钠-氧气(Na-O2)和钾-氧气(K-O2)电池因其高的理论能量密度(Na-O2,1108 Wh/kg;K-O2,935 Wh/kg),高的能量效率(>90%)和在自然界中资源丰富等优点受到了研究人员的广泛关注。然而,由于正极放电产物超氧化钠(NaO2)和金属钾(K)的高活泼性,以及负极枝晶等问题,会导致现有的空气电池产生库伦效率低和循环稳定性差等现象。

研究进展

        近日,南开大学李福军研究员课题组以金属钠为负极,以含钾离子的有机电解液和多孔碳纸为正极,构建了一种混合型空气电池(NKO)。在放电过程中,正极的O2被还原,优先与电解液中的K+反应生成KO2,Na从负极溶出;在充电过程中,正极上的KO2可逆分解为K+和O2,Na+沉积回到负极上。这种新的反应路径,不同于传统的Na-O2和K-O2电池,有效地规避了NaO2和金属K与电解液之间的反应。

空气也可以做电池了?南开大学李福军:构建一种新型钠钾氧混合型空气电池

NKO混合型空气电池充放电过程中的反应路径

        得益于正极放电产物KO2高的稳定性和导电性,以及负极Na稳定的溶出/沉积,NKO电池与传统的Na-O2和K-O2电池相比,表现出低的充放电过电压,高的库伦效率和出色的循环稳定性。这种新的设计理念为金属空气电池的发展提供了新的方向。

空气也可以做电池了?南开大学李福军:构建一种新型钠钾氧混合型空气电池

NKO混合型空气电池充放电过程中的反应路径

未来展望

        这项工作利用金属钠负极和包含钾离子的有机电解液,有效地规避了正极NaO2和金属K与电解液之间的反应,同时抑制了负极枝晶的产生,在改善空气电池循环性能的同时,提高了电池的安全性,为高性能空气电池的构建提供了新的策略。此外,KO2高的稳定性和导电性,也为解决空气电池高的充放电极化和循环性能差等问题,提供了新的思路。

课题组介绍

        李福军研究员的团队成立于2015年9月。隶属于南开大学先进能源材料化学重点实验室(教育部)、南开大学化学与工程协同创新中心(天津)。主要研究范围包括先进能源材料、材料化学、电化学储能等。研究团队由化学、材料科学和物理学等不同背景的科研人员组成,希望通过研究成果,为可持续发展的社会的建设做出贡献。

空气也可以做电池了?南开大学李福军:构建一种新型钠钾氧混合型空气电池

李福军课题组

College of Chemistry, Nankai University, 94 Weijin Road, Tianjin 300071, China @ Copyright 2017 The Li's Lab. All Rights Reserved. 津ICP备17008013号-1