中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊:隨著社會(huì)發(fā)展,醫(yī)療保健電子設(shè)備等器械對(duì)零件裝配的要求越來(lái)越高,對(duì)安全、無(wú)泄漏和小型化的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)更是有著特殊的需求。這激發(fā)了中科院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員、固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心組長(zhǎng)崔光磊的探索欲望。
他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以此為導(dǎo)向,經(jīng)過(guò)一次次試錯(cuò),最終用極簡(jiǎn)單的材料和方法,在室溫下激活了固態(tài)鋅電池,并研發(fā)出滿足行業(yè)急需的儲(chǔ)能技術(shù)。近日,該成果發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》。
優(yōu)秀但有缺失的“候選者”
在現(xiàn)有技術(shù)下,固態(tài)鋅電池因具有較高生物兼容性、低成本和高容量的特征而備受關(guān)注。其中,鋅金屬的體積比容量是鋰金屬的2.84倍,可以達(dá)到5855安時(shí)/升。這使其成為醫(yī)療保健電子設(shè)備電池不錯(cuò)的“候選者”。
鋅固態(tài)電解質(zhì)是關(guān)鍵,然而,傳統(tǒng)上廣受關(guān)注的鋅固態(tài)聚合物電解質(zhì),雖易于加工成柔性薄膜,但相較于一價(jià)的鋰離子或鈉離子以及高電荷密度的二價(jià)鋅離子,與聚合物鏈之間有著更強(qiáng)的鍵合,不可避免地會(huì)導(dǎo)致鋅離子在輸運(yùn)過(guò)程中受限,進(jìn)而產(chǎn)生較低的室溫離子電導(dǎo)率。
雖然利用塑化效應(yīng)可以加速聚合物的鏈段動(dòng)力學(xué),但很可能伴隨機(jī)械性能和安全性的損失。如何讓鋅離子呈現(xiàn)出足夠的傳導(dǎo)動(dòng)力?這個(gè)科學(xué)問(wèn)題仍然很棘手。復(fù)合材料中的異質(zhì)界面一直被認(rèn)為是構(gòu)筑快速離子傳輸通道的一種可行選擇,但在多價(jià)離子固態(tài)導(dǎo)體中鮮有涉及。
“也就是說(shuō),在新型儲(chǔ)能器件的眾多候選者中,固態(tài)鋅電池雖然優(yōu)秀,但仍然無(wú)法滿足現(xiàn)有需求?!贝薰饫趯?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。
打造原創(chuàng)固態(tài)主體
要克服過(guò)去固態(tài)鋅電池的問(wèn)題,需要固態(tài)電解質(zhì)的主體材料本身對(duì)鋅鹽有良好的解離能力。然而,高電荷密度的鋅離子使得鋅鹽在液態(tài)中都很難有效解離。目前,尚無(wú)合適的固態(tài)主體可供選擇。因此,需要自主創(chuàng)新進(jìn)行設(shè)計(jì)。
“我們嘗試了一種以前未曾探索過(guò)的方法?!贝薰饫谡f(shuō),“通過(guò)成核誘導(dǎo)鋅基低共熔體結(jié)晶,開辟了一條構(gòu)建鋅離子固態(tài)電解質(zhì)的新途徑?!?
中科院青島生物能源與過(guò)程研究所副研究員趙井文介紹,結(jié)晶低共熔體具有高混亂度的分子間相互作用網(wǎng)絡(luò),在保證鋅離子充分解離的基礎(chǔ)上,離子可以表現(xiàn)出相當(dāng)高的運(yùn)動(dòng)自由度。進(jìn)而得益于路易斯酸—堿相互作用,含氟陰離子會(huì)在成核劑表面優(yōu)先吸附,在兩相界面產(chǎn)生空間電荷層。
“該界面電場(chǎng)的存在有助于建立快速的鋅離子滲流通道?!壁w井文描述說(shuō),在此過(guò)程中,鋅離子傳輸動(dòng)力學(xué)得到了明顯改善,使其在30攝氏度時(shí)就能夠表現(xiàn)出高于傳統(tǒng)聚合物兩個(gè)數(shù)量級(jí)的鋅離子電導(dǎo)率,使得組裝的固態(tài)鋅電池在環(huán)境溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能性能。
“該電池不管是比容量還是平均庫(kù)侖效率,都優(yōu)于目前已報(bào)道的無(wú)溶劑固態(tài)鋅電池體系,進(jìn)一步驗(yàn)證了自主研發(fā)的鋅固態(tài)電解質(zhì)的可行性與可靠性?!壁w井文指出。
對(duì)癥下藥解決棘手難題
既然這是一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)都無(wú)法攻克的難題,崔光磊團(tuán)隊(duì)是如何實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破的呢?
結(jié)合以前的工作進(jìn)展,該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),低共熔體具有高的過(guò)冷度,在高溫下用液氮淬冷使其迅速降溫會(huì)存在固化現(xiàn)象。“這是一個(gè)很有意思的發(fā)現(xiàn)。我們果斷抓住這點(diǎn)進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象具有很好的可重復(fù)性?!惫虘B(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心科研助理邱華玉對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō),“遺憾的是,恢復(fù)室溫時(shí)該固態(tài)材料有熔化跡象,無(wú)法滿足室溫固態(tài)電池的應(yīng)用需求?!?
為解決這個(gè)問(wèn)題,團(tuán)隊(duì)對(duì)癥下藥。通過(guò)大量調(diào)研,他們發(fā)現(xiàn)潛熱儲(chǔ)能領(lǐng)域通過(guò)引入成核劑可以有效提高相變材料的室溫穩(wěn)定性,同時(shí)還可以增加成核位點(diǎn)數(shù)量,調(diào)節(jié)其成核動(dòng)力學(xué),使成核溫度和整體結(jié)晶速率顯著提高。該理論也恰巧解決了研究的燃眉之急,不僅提高了固態(tài)材料的穩(wěn)定性,使其可以快速結(jié)晶,還可避免使用成本較高的液氮淬冷方式。
成核劑分為有機(jī)成核劑和無(wú)機(jī)成核劑,考慮到構(gòu)筑界面滲流網(wǎng)絡(luò)的必要性,最終,團(tuán)隊(duì)選擇了無(wú)機(jī)二氧化鈦?zhàn)鳛槌珊藙晒?shí)現(xiàn)室溫可控結(jié)晶并構(gòu)建了鋅離子快速傳輸?shù)碾x子通道,終于解決了這個(gè)棘手難題。
步步創(chuàng)新只為精益求精
為了精益求精,這遠(yuǎn)非終點(diǎn)。
雖然其材料機(jī)械性能已經(jīng)足夠優(yōu)越,但其機(jī)械強(qiáng)度依然無(wú)法與成熟的鋰離子固態(tài)電解質(zhì)(比如石榴石型材料)相比。同時(shí),在阻抗測(cè)試中,目前的材料也存在固態(tài)電解質(zhì)界面阻抗過(guò)大的通病。
“為解決這個(gè)問(wèn)題,我們巧妙利用低共熔體結(jié)晶熔化過(guò)程的可逆性,借助原位塑膜的方式制備固態(tài)電解質(zhì)。這不僅有效降低了界面阻抗過(guò)大的問(wèn)題,還可將固態(tài)電解質(zhì)膜的厚度進(jìn)一步降低?!鼻袢A玉解釋道。
“該應(yīng)用以其巧妙的設(shè)計(jì)散發(fā)著無(wú)限魅力,在基礎(chǔ)科學(xué)層面為增強(qiáng)固態(tài)導(dǎo)體的多價(jià)離子傳輸行為提供了新的認(rèn)識(shí),也為新型固態(tài)電池的開發(fā)提供借鑒?!贝薰饫谙嘈牛霸擁?xiàng)應(yīng)用的前景一定可觀。”
在實(shí)用化推廣方面,崔光磊團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步提高電池的整體性能,用于先進(jìn)醫(yī)療保健及可穿戴電子設(shè)備供能方向的應(yīng)用,如匹配更高電壓及更高負(fù)載的正極材料,使用限量的鋅負(fù)極等,以期進(jìn)一步提高固態(tài)電池的能量密度。