我所研制出高比能、高倍率準固態鈉離子微型電池

  近日,我所二維材料與能源器件研究組(DNL21T3)吳忠帥研究員團隊與包信和院士團隊以及中國科學技術大學余彥教授團隊合作,開發出具有高比能、高倍率的準固態鈉離子微型電池,并揭示了鈉離子多方向傳輸機制。

  近年來,無線傳感器、植入式醫療設備、可穿戴電子器件等微電子和微系統發展迅速,高性能的微型電池開發需求迫切。鋰離子微型電池是目前最流行的微型電源,但是存在鋰資源稀缺、成本升高等問題。相對于金屬鋰,鈉資源豐富,成本低廉,與鋰的電化學性能相似,因此發展鈉離子微型電池具有重要的應用前景。

  最近,該研究團隊設計并發展了三維互連石墨烯網絡支撐的鈦酸鈉負極和磷酸釩鈉正極,制備出高通量電子-離子三維傳輸微電極,成功構建出平面化準固態鈉離子微型電池。開發出了NaBF4基離子液體凝膠電解液(NaBF4/EMIMBF4/PVDF-HFP),其具有高離子電導率(8.1 mS/cm)、寬電壓窗口、不易燃的優點。通過器件整體設計,有效耦合了平面結構、占主導的贗電容貢獻以及鈉離子多方向傳質的優點,該鈉離子微型電池在室溫下容量高(30.7 mAh/cm3),倍率性能優異。在室溫和30 C倍率下,其比容量為15.7 mAh/cm3;在100 ℃和100 C倍率下,其比容量為13.5 mAh/cm3。此外,該鈉離子微型電池具有優異的柔性,輸出電壓和容量可調,能量密度高(145 μWh/cm2)。最后,結合原位和準原位表征,該研究團隊提出平面微型儲能器件是一種對電荷儲存機理進行原位研究的理想電化學模型,可同時原位研究全電池中正負極的結構演變和形貌變化。該工作為設計具有高比能和高功率的微型電池以及原位研究儲能機理提供了新的思路。

  相關研究成果發表在《能源和環境科學》(Energy & Environmental Science)上。上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院潔凈能源創新研究院合作基金等項目的資助。(文/圖 鄭雙好、侯曉城)

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