Nat. Energy：基于石榴石型固體電解質的熔融鋰電池

【引言】

用于大規模儲能領域的電池需要滿足高功率、高安全性、長壽命和低成本等要求，新一代電站式儲能電池系統亟待開發。熔融金屬電池是大規模儲能電池的候選方案，在這一類電池體系中，如何降低電池的工作溫度、減少電池的成本、提高電池的可靠性和安全性，是熔融鋰電池發展的主要挑戰。本文發現石榴石型固體電解質能夠顯著降低電池的工作溫度，提高電池的容量和安全性，提高電池的庫倫效率和循環壽命。

【成果簡介】

近日，中國清華大學的伍暉和美國斯坦福大學的崔屹（共同通訊作者）等人，報道了一種熔融鋰負極，熔融Sn-Pb或Bi-Pb合金正極和石榴石型Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂（LLZTO）固體電解質，組成的固體電解質基熔融鋰電池。在240℃、50和100 mA cm^-2電流密度下，Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb電池可以穩定循環約一個月，幾乎沒有容量衰減，平均庫侖效率為99.98％。同時，電池具有高功率能力，Li||LLZTO||Sn-Pb電池在電流密度高達300 mA cm^-2時，功率密度為90 mW cm^-2，Li||LLZTO||Sn-Pb電池在電流密度高達500 mA cm^-2時，功率密度為175 mW cm^-2。這種中溫電池有望成為高安全性、低建造和維護成本的電網儲能電池。相關成果以“An intermediate temperature garnet-type solid electrolyte-based molten lithium battery for grid energy storage”為題發表在Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖 1 Li||LLZTO||液態正極電池的示意圖及實物圖

（a）Li||固體電解質||液態正極電池的示意圖；

（b）U形LLZTO管的實物圖；

（c）Li||LLZTO||Sn-Pb合金電池的實物圖。

圖 2?在240℃下，Li||LLZTO||Sn-Pb電池的電化學性能

（a）在50 mA cm^-2下，第1-5、119-120圈循環的電壓曲線圖；

（b）第5、60和120圈循環期間的容量-電壓圖；

（c）3.561 g Sn和2.073 g Pb作為正極材料時，電池的庫侖效率，能量效率和體積容量圖；

（d）在50-300 mA cm^-2下，電池的電壓曲線圖；

（e）在50 mA cm^-2下，Li||LLZTO||Sn-Pb第5次循環的電壓曲線圖；

（f）Li||LLZTO||Sn-Pb電池的庫侖效率，能量效率和體積容量圖。

圖 3?在240℃下，Li||LLZtO||Bi-Pb電池的電化學性能

（a）在240℃下，Li||LLZTO||Bi-Pb電池的庫侖滴定圖；

（b）在100 mA cm^-2下，電池的庫侖效率，能量效率和體積容量與循環次數的關系圖；

（c）電池的電壓曲線圖；

（d）在100-500 mA cm^-2下，電池的電壓曲線圖。

圖 4 Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb電池的冷卻后再加熱啟動測試

（a）在50 mA cm^-2充電和放電過程中，Li||LLZTO||Sn-Pb電池冷卻5小時（降至30℃），然后再次加熱回到240℃的電壓曲線圖；

（b）在100 mA cm^-2充電后和放電過程中，Li||LLZTO||Bi-Pb電池冷卻5小時（降至30°C），然后再次回到240°C的電壓曲線圖。

圖 5 1960年以來，不同LME電池的工作溫度比較圖

【小結】

基于高品質的石榴石型LLZTO電解質的熔融鋰電池，將LME電池的工作溫度降低到240°C，而電池的平均庫侖效率高達99.98％，功率密度高達175 mW cm^-2。與1960年以來報道的其他熔融鋰電池相比，Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb電池的工作溫度更低。降低工作溫度，可以降低電池材料的氧化和腐蝕速率，降低密封和電絕緣工藝的成本。Sn-Pb和Bi-Pb合金的密度較高，Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb電池的理論體積能量密度高達570 Wh l^-1和940 Wh l^-1。因此，固體電解質基熔融鋰電池具有良好的適用性和可行性，其中Li||LLZTO||Bi-Pb電池，具有應用于大規模儲能系統的潛力。這種基于固體電解質的熔融鋰電池，因其低成本和高性能是大規模儲能應用的潛在候選者。

文獻鏈接：An intermediate temperature garnet-type solid electrolyte-based molten lithium battery for grid energy storage（Nat. Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0198-9）。

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