斯坦福大学戴宏杰Nature:可充Na/Cl2和Li/Cl2电池，掀开高能量密度电池新篇章

CYM 3年前 (2021-08-26) 5705浏览

【引言】

锂离子电池（LIBs）已经广泛应用于电动汽车和可穿戴设备等领域。设计具有高重量、体积和面积容量以及高能量密度的新电池概念，对于满足社会对储能不断增长的需求至关重要。在20世纪70年代发明二次LIBs之前，以氯化亚砜（SOCl₂）为电解液，金属锂为负极，无定形碳作为正极的一次电池（Li-SOCl₂）已经被开发。这种电池通过锂氧化和电解液还原为硫、二氧化硫和氯化锂而放电，该电池在一次放电中可提供约2300 mAh g^-1的高比容量和710 Wh kg^-1的高能量密度，并广泛用于电子，军事，公用计量和GPS系统等应用。然而，自发明以来一直未实现可充电性。此外，作为价格更便宜的金属钠电池具有更广阔的应用前景，但由此构成的Na-SOCl₂一次电池从未被报道，更不用说实现可充的Na-SOCl₂电池。

今日，美国斯坦福大学戴宏杰教授（通讯作者）基于高微孔碳（aCNS）正极、由SOCl₂与其中的氯化铝（AlCl₃）和氟化物添加剂组成的起始电解质，以及钠或锂作为负极，制备了可充电的Na/Cl₂或Li/Cl₂电池，其主要是通过碳微孔中的Cl₂/Cl^-与钠或锂金属上的Na/Na⁺或Li/Li⁺之间氧化还原进行循环。正极侧微孔碳中的可逆Cl₂/NaCl或Cl₂/LiCl氧化还原，和薄的掺杂氟化物的NaCl固体电解质界面（SEI）对随后的可逆电池循环至关重要。NaCl和Cl₂之间的氧化还原作为促成电池可逆容量的主要反应，同样的概念也适用于可充电的Li/Cl₂电池。实验结果表明，电池以3.5V放电电压和1200 mAhg^-1容量能够循环超过200圈，其库仑效率和能量效率（放电的能量与每圈充电能量输入的比值）分别大于99%和90%。电池的首次放电容量约为2800 mAh g^-1，平均放电电压约为3.2 V。更加重要的是，电池可以在1200 mAhg^-1的比容量下可逆地循环，放电电压约为3.55V，平均库仑效率大于99%。此外，电池首次放电导致在aCNS正极上形成NaCl，类似于Li-SOCl₂正极电池中的LiCl。相关研究成果以“Rechargeable Na/Cl₂ and Li/Cl₂ batteries”为题发表在Nature上。其中，Guanzhou Zhu和Xin Tian为本文共同第一作者。【图文导读】