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Nat. Energy:基于石榴石型固体电解质的熔融锂电池  [复制链接]

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 用于大规模储能领域的电池需要满足高功率、高安全性、长寿命和低成本等要求,新一代电站式储能电池系统亟待开发。熔融金属电池是大规模储能电池的候选方案,在这一类电池体系中,如何降低电池的工作温度、减少电池的成本、提高电池的可靠性和安全性,是熔融锂电池发展的主要挑战。本文发现石榴石型固体电解质能够显著降低电池的工作温度,提高电池的容量和安全性,提高电池的库伦效率和循环寿命。

 

【图文导读】

图 1 Li||LLZTO||液态正极电池的示意图及实物图

(a)Li||固体电解质||液态正极电池的示意图;

(b)U形LLZTO管的实物图;

(c)Li||LLZTO||Sn-Pb合金电池的实物图。

图 2 在240℃下,Li||LLZTO||Sn-Pb电池的电化学性能

(a)在50 mA cm-2下,第1-5、119-120圈循环的电压曲线图;

(b)第5、60和120圈循环期间的容量-电压图;

(c)3.561 g Sn和2.073 g Pb作为正极材料时,电池的库仑效率,能量效率和体积容量图;

(d)在50-300 mA cm-2下,电池的电压曲线图;

(e)在50 mA cm-2下,Li||LLZTO||Sn-Pb第5次循环的电压曲线图;

(f)Li||LLZTO||Sn-Pb电池的库仑效率,能量效率和体积容量图。

图 3 在240℃下,Li||LLZTO||Bi-Pb电池的电化学性能

(a)在240℃下,Li||LLZTO||Bi-Pb电池的库仑滴定图;

(b)在100 mA cm-2下,电池的库仑效率,能量效率和体积容量与循环次数的关系图;

(c)电池的电压曲线图;

(d)在100-500 mA cm-2下,电池的电压曲线图。

图 4 Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb电池的冷却后再加热启动测试

(a)在50 mA cm-2充电和放电过程中,Li||LLZTO||Sn-Pb电池冷却5小时(降至30℃),然后再次加热回到240℃的电压曲线图;

(b)在100 mA cm-2充电后和放电过程中,Li||LLZTO||Bi-Pb电池冷却5小时(降至30°C),然后再次回到240°C的电压曲线图。

图 5 1960年以来,不同LME电池的工作温度比较图

【小结】

基于高品质的石榴石型LLZTO电解质的熔融锂电池,将LME电池的工作温度降低到240°C,而电池的平均库仑效率高达99.98%,功率密度高达175 mW cm-2。与1960年以来报道的其他熔融锂电池相比,Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb电池的工作温度更低。降低工作温度,可以降低电池材料的氧化和腐蚀速率,降低密封和电绝缘工艺的成本。Sn-Pb和Bi-Pb合金的密度较高,Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb电池的理论体积能量密度高达570 Wh l-1和940 Wh l-1。因此,固体电解质基熔融锂电池具有良好的适用性和可行性,其中Li||LLZTO||Bi-Pb电池,具有应用于大规模储能系统的潜力。这种基于固体电解质的熔融锂电池,因其低成本和高性能是大规模储能应用的潜在候选者。

  • 来源:新能源前线
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