斯坦福大學戴宏杰Nature:可充Na/Cl2和Li/Cl2電池，掀開高能量密度電池新篇章

CYM 2年前 (2021-08-26) 4564瀏覽

【引言】

鋰離子電池（LIBs）已經廣泛應用于電動汽車和可穿戴設備等領域。設計具有高重量、體積和面積容量以及高能量密度的新電池概念，對于滿足社會對儲能不斷增長的需求至關重要。在20世紀70年代發明二次LIBs之前，以氯化亞砜（SOCl₂）為電解液，金屬鋰為負極，無定形碳作為正極的一次電池（Li-SOCl₂）已經被開發。這種電池通過鋰氧化和電解液還原為硫、二氧化硫和氯化鋰而放電，該電池在一次放電中可提供約2300 mAh g^-1的高比容量和710 Wh kg^-1的高能量密度，并廣泛用于電子，軍事，公用計量和GPS系統等應用。然而，自發明以來一直未實現可充電性。此外，作為價格更便宜的金屬鈉電池具有更廣闊的應用前景，但由此構成的Na-SOCl₂一次電池從未被報道，更不用說實現可充的Na-SOCl₂電池。

今日，美國斯坦福大學戴宏杰教授（通訊作者）基于高微孔碳（aCNS）正極、由SOCl₂與其中的氯化鋁（AlCl₃）和氟化物添加劑組成的起始電解質，以及鈉或鋰作為負極，制備了可充電的Na/Cl₂或Li/Cl₂電池，其主要是通過碳微孔中的Cl₂/Cl^-與鈉或鋰金屬上的Na/Na⁺或Li/Li⁺之間氧化還原進行循環。正極側微孔碳中的可逆Cl₂/NaCl或Cl₂/LiCl氧化還原，和薄的摻雜氟化物的NaCl固體電解質界面（SEI）對隨后的可逆電池循環至關重要。NaCl和Cl₂之間的氧化還原作為促成電池可逆容量的主要反應，同樣的概念也適用于可充電的Li/Cl₂電池。實驗結果表明，電池以3.5V放電電壓和1200 mAhg^-1容量能夠循環超過200圈，其庫侖效率和能量效率（放電的能量與每圈充電能量輸入的比值）分別大于99%和90%。電池的首次放電容量約為2800 mAh g^-1，平均放電電壓約為3.2 V。更加重要的是，電池可以在1200 mAhg^-1的比容量下可逆地循環，放電電壓約為3.55V，平均庫侖效率大于99%。此外，電池首次放電導致在aCNS正極上形成NaCl，類似于Li-SOCl₂正極電池中的LiCl。相關研究成果以“Rechargeable Na/Cl₂?and Li/Cl₂?batteries”為題發表在Nature上。其中，Guanzhou Zhu和Xin Tian為本文共同第一作者。【圖文導讀】