【科技】南京大学宋虎成/徐骏ESM:超宽温(-73℃至120℃)区工作的全固态锂金属电池

来源:科学材料站发布时间:2021-04-25 16:15:32

文章信息

实现超宽温度(-73 ℃至120 ℃)的全固态锂金属电池

第一作者:王胜

通讯作者:宋虎成,徐骏

单位:南京大学电子科学与工程学院

研究背景

作为新能源汽车生命线的动力电池由于短路造成的起火、燃烧等安全问题一直是横跨在新能源汽车发展道路上的“绊脚石”。全固态锂金属电池(ASS LMB)的出现为发展安全、超高比能且具有宽工作温度的动力电池带来了新的曙光。

受限于锂离子在电解质/电极及其界面处的差的动力学传输,当前众多的全固态锂电池都需要在相对较高的温度(约55℃至70℃)下工作。当温度降至室温及以下时,电池的能量密度和功率密度将损失殆尽,这极大地限制了高比能固态锂金属电池的发展。

文章简介

基于此,南京大学的宋虎成/徐骏团队,在前期提出的太阳能光热超低温全固态锂-空气电池的基础之上(Solar-driven all-solid-state lithium–air batteries operating at extreme low temperatures,Energy Environ. Sci., 2020, 13:1205-1211),报道了一种基于廉价金属氧化物光热正极的超宽温全固态锂空气电池。

该电池通过RuO2 NPs与碳构建了一种高效且稳定吸收和转换太阳能的空气正极,以改善固态电池中电荷的传输和存储,从而获得了首款在超宽温区工作的全固态锂金属电池。相关成果在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“An extra-wide temperature all-solid-state lithium-metal battery operating from -73 ℃ to 120 ℃”的观点文章。

南京大学电子科学与工程学院为论文的第一完成单位,博士研究生王胜为论文的第一作者,宋虎成副研究员和徐骏教授为论文的通讯作者。

本工作得到了南京大学余林蔚教授、周豪慎教授和陈坤基教授的大力支持。工作获得了国家重点研发计划项目、基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点、江苏省青年基金以及南京大学卓越计划等的支持。

此外,还得到了南京大学固体微结构物理国家重点实验室及人工微结构科学与技术协同创新中心等平台的支持。

本文要点

 

 

图1. 太阳能光热ASS LMB,采用RuO2基的空气阴极作为太阳光吸收和光热转换电极。(a)光热锂空气电池示意图,以及放电过程的放大图。(b)在-73℃经太阳光照射,电池在活化过程中电压和温度的变化曲线,在~400s的光照下,电池的温度从-73℃上升到20℃,表现出典型的放电行为。

如图1b所示,太阳能光热电池具有典型的激活过程,其中在-73℃下工作的电池的放电电压在太阳照射400秒之前为2.0 V的截止电压。

之后,放电电压突然升高到3.19 V(光热温度高达20℃)。结果表明,在低于室温环境下,固态电池的电荷传输和存储性能较差,太阳能的收集和转化是固态锂空气电池在极低温度下工作的关键。

 

 

图2.光热电池系统中,太阳能的吸收和太阳能到热能的转换。(a)RuO2基太阳能光热阴极的SEM图像。(b)LAGP固态电解质,涂在LAGP电解质上的RuO2 NPs和涂在LAGP电解质上的RuO2基空气阴极的太阳光吸收谱。(c)RuO2 NP的TEM图像(RuO2 NP的尺寸分布直方图和HRTEM图像)。(d)RuO2 NPs的吸收,局部表面等离子体共振(LSPRs)吸收峰位于600 nm-1400 nm。(e)在太阳辐射(氙灯,〜7.5 kW m-2,420 nm至780 nm)下,涂在LAGP电解质上的RuO2基光热阴极的红外(IR)图像。(f)-73℃太阳光照下,组装好的ASS锂空气电池的阴极表面和锂金属表面的温度-时间曲线。

目前很少报道金属氧化物等离子结构,尤其是具有宽带吸收的金属氧化物。该工作报道了一种便宜且稳定的RuO2 NPs等离子太阳光热空气电极,以有效地收集宽光谱的太阳光并将其转换为热量,以改善电荷在极低温下的传输和存储。在金属氧化物纳米粒子与光的相互作用中,氧空位导致材料中存在浓度稳定电荷载流子。RuO2 NPs的局部表面等离子体激元共振(LSPR)产生了从〜600 nm到〜1400 nm的吸收峰(图2d)。这种宽带金属氧化物LSPRs吸收通常会通过声子模式导致强烈的光热转化。

 

 

图3. ASS锂空气电池的电化学阻抗谱(EIS)。(a)电池在-73℃,室温和120℃下的EIS图。(b)在-73℃,室温和120℃下电池的EIS放大图。(c)在-73℃,0分钟,1分钟和10分钟的太阳辐射下(〜7.5 kW m-2,420 nm至780 nm),电池在-73℃的EIS图。(d)在-73℃,0分钟,1分钟和10分钟的太阳辐射下,电池的EIS放大图。(e)不同条件下全固态锂空气电池阻抗对比。

光热ASS锂空气电池(在太阳照射10分钟后)的电阻约为在-73℃下运行的普通ASS锂空气电池(无光照射)的10-2。

相比较太阳能光热电池具有低电阻,尤其是低的界面电阻(R3),这样光照可以在超低温下有效改善电解质/电极及其界面中的电荷传输和存储,从而实现ASS电池在超宽温度下高效运行。

 

 

图4.电流密度为200 mA g-1的ASS锂空气电池在-73℃至120℃的电化学性能。

图4显示了在-73℃至120℃的超宽温度下工作的ASS锂空气电池的放电/充电性能,电流密度为200 mA g-1。在太阳辐射下,使用等离子RuO2催化剂的光热锂空气电池即使在-73℃时,其放电/充电容量为〜2500 mAh g-1 /〜2200 mAh g-1,而在没有太阳辐射的情况下,锂空气电池的放电/充电容量均为〜0 mAh g-1。

在120℃下工作的锂空气电池显示出较高的放电/充电容量(〜4630 mAh g-1 /〜3500 mAh g-1),这是因为工作温度的升高导致较低的阻抗(〜9 x 103Ω)。显然,工作温度的升高可以有效地改善ASS电池的电荷传输和存储,尤其是基于无机陶瓷电解质的ASS电池,从而实现高效的放电/充电循环性能。

此外,光热锂空气电池在-73℃经一个太阳光照射下(AM 1.5,1 kW m-2)的放电容量约为380 mAh g-1〜50%CE,这展现了太阳能光热ASS锂金属电池在实际应用中的可行性。而且,在不连续的太阳照射下锂空气电池显示出优异的可逆性。结果表明光诱导的热能有效改善电解质/电极及其界面中的电荷传输和存储,从而使电池在-73℃至120℃范围内有效运行。

 

 

图5. ASS锂空气电池在-73℃和120℃下的产物表征和机理图。

该工作对-73℃光热ASS空气锂电池在和120℃ASS空气锂电池的放电产物进行了表征。如图5a所示,-73℃光热电池的放电产物形貌类似血红蛋白。而在120℃下运行的锂空气电池,获得了由橄榄球状Li2O2纳米颗粒(直径8 nm至18 nm,图5b)组成的致密Li2O2层。此外,讨论了电池的放电机理(图5d和5e)。产物过氧化锂可以通过典型的氧气扩散和吸附,氧气还原为Li2O2以及最终的固相生长过程来形成。

总之,该工作通过太阳能光热电池技术实现了在-73℃至120℃超宽温度范围内可以稳定工作的ASS锂金属电池,该技术采用廉价且稳定的RuO2基空气电极来有效地收集太阳能并将其转化为热。

这种光热电极可以有效地吸收宽光谱太阳光(> 90%,200 nm至2500 nm)并将其转化为热量,从而在-73℃环境条件下,有效地将组装好的太阳能光热ASS锂空气电池的电阻降低至〜2.0 x 104Ω,即普通ASS锂空气电池的2.7%。

最后太阳能光热ASS锂空气电池可以在-73℃下稳定地循环约20个循环,并且在120℃下也显示出稳定的循环性能。另外,该电池在-73℃经一个太阳光照射显示了约380 mAh g-1的放电容量,〜50%CE。这项工作展示了一种创新的电池技术,并通过引入光学窗口和开发光热电极为开发高能量密度和封闭式宽温度固态锂电池铺平了道路。

责任编辑:wangjingyi
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
新区种子独角兽!用钙钛矿打开光伏新赛道来源:凤凰网 发布时间:2026-10-10 14:26:24

长春日耀光电科技有限公司是依托中国科学院长春应用化学研究所科研力量,于2023年9月在长春新区成立的东北首家专注钙钛矿太阳能电池研发与产业化的企业。公司以新型SAM分子材料、薄膜在线检测装备及钙钛矿电池组件为主营方向,已实现多项国际首创技术突破,包括无NiOx大面积制备工艺和SAM原位表征一体化装备,显著降低产线与制造成本。其钙钛矿/晶硅叠层电池效率达34.2%(NREL认证,全球前三),半透明电池效率率先突破12%。目前SAM材料市场渗透率超40%,大尺寸电池完成打样,省内首例钙钛矿自供能系统及100kW光储充电站即将落地。企业已签约多方战略伙伴,正加速建设中试线与电池产线,目标2030年建成投产,年产值不低于10亿元。

喜报|中建材(江阴)光电顺利通过安全生产标准化三级企业认证!来源:中建材浚鑫 发布时间:2026-10-10 10:32:15

中建材(江阴)光电材料公司于2026年9月成功获评安全生产标准化三级企业,系中国建材集团本质安全建设重要成果。公司紧扣HJT电池智能制造特点,构建“全员、全程、全域”安全治理体系,推动管理向事前预防转型,以高水平安全护航光伏主业高质量发展。

大面积钙钛矿太阳能电池光电转换效率创新高来源:科技日报 发布时间:2026-10-10 09:52:29

澳大利亚新南威尔士大学与UtmoLight公司合作,成功研制出面积达676平方厘米(30 cm × 30 cm)的大面积钙钛矿太阳能电池,实现23.5%的光电转换效率,刷新世界纪录。该成果证实钙钛矿技术在放大尺寸后仍能保持高效率,显著提升了其规模化制造与产业化应用前景。研究通过材料创新与工艺优化,取消了易引发不稳定的氧化镍层,简化制程并提升性能。团队下一步将试制2.8平方米的全尺寸商用组件,验证更大面积下的可行性。尽管钙钛矿在成本与光谱利用(如与硅基电池叠层)方面优势突出,但其在湿热环境下的稳定性、大面积均匀性控制及长期可靠性仍是产业化亟待突破的关键挑战。(199字)

印度ALMM太阳能电池产能超37吉瓦来源:光伏情报处 发布时间:2026-10-10 09:45:10

印度新能源和可再生能源部(MNRE)最新更新《型号与制造商核准名录》(ALMM)第二部分,新增529兆瓦单晶硅PERC太阳能电池产能,使全国ALMM登记的太阳能电池总产能达37393兆瓦(即37.393吉瓦)。其中,Premier Energy Photovoltaics新增产能后,其PERC电池总登记产能升至2454兆瓦,并新增1358兆瓦G12R N型TOPCon电池产能,整体登记产能达3812兆瓦。此前,Jupiter Solar Tech和Renusol India亦分别扩充了N型TOPCon电池产能。ALMM-II对公用事业级项目设定了2025年8月31日的执行截止期,但净计量及开放接入式项目豁免期延至2026年12月31日。此外,MNRE已于2026年3月启动ALMM第三部分,将硅锭、硅片纳入监管,计划自2028年6月1日起强制实施,前提是至少三家独立硅片制造商完成登记且合计产能达15吉瓦。

最低0.665元/W!华电2026年第二批5GW组件集采开标来源:索比光伏网 发布时间:2026-10-09 13:59:00

华电集团2026年第二批5GW光伏组件框架招标近日开标,共26家企业参与,报价区间为0.665—0.75元/W。其中,Top10品牌报价分化显著,最低价由某Top10企业报出(0.665元/W),另有Top10企业报价达0.7297元/W;Top4品牌中三家入围,报价均超0.7元/W。招标面向n型常规双面组件,要求转换效率不低于23.2%,组件功率不低于610Wp,且投标人须在2025年1月1日至2026年9月2日期间具备不少于1GW的同类销售业绩。值得注意的是,本次为框架招标,投标价不直接等同于最终供货价,综合条件与履约能力亦影响中标结果。分析指出,较低的准入门槛加剧了价格竞争,或使部分专注高效产品的厂商选择回避。

7GW!印度最大光伏电池工厂投产来源:TaiyangNews 发布时间:2026-10-09 09:13:15

印度光伏制造商Premier Energies正式投产其位于安得拉邦奈杜佩塔的7GW N型TOPCon光伏电池工厂,总投资329.3亿印度卢比,占地101英亩。该厂采用数字化、人工智能及预测性分析等先进制造技术,并配备液体零排放系统以提升资源效率。投产后,公司光伏电池总产能达10.6GW,成为印度最大光伏电池制造商。新厂主产G12R规格TOPCon电池,目标平均转换效率约25.8%,并预留升级空间以兼容TOPCon+等下一代技术。依托此次扩产,公司已获1500亿印度卢比在手订单(全部来自印度本土),同时正推进硅锭、硅片、铝边框及储能系统等上下游产能建设,致力于打造具备全球竞争力的一体化光伏制造平台,助力印度清洁能源转型。(199字)

2026 碳足迹服务商 TOP5 对比:从合规认证到全链路减碳,企业该怎么选?来源:阳光慧碳 发布时间:2026-10-08 16:58:55

本文围绕2026年企业碳足迹管理的迫切需求,对比分析了五家代表性碳足迹服务商:阳光慧碳(技术平台型)、SGS(国际第三方认证)、中国质量认证中心(CQC,国家队)、必维(国际LCA专长)、中环联合(国有认证机构)。文章从企业背景、核心资质、服务范围、技术能力、行业案例及差异化优势六个维度展开横向评估,指出当前服务商主要分为三类——以核查认证为主的传统机构(SGS、必维、CQC、中环联合),以及唯一具备“核算—分析—减排—运营”全链路能力的平台型服务商阳光慧碳。重点强调:国际出口企业需侧重SGS或必维的全球认可度;国内政策合规与政府采购场景下,CQC和中环联合更具采信优势;而有长期减碳规划、数字化升级与节能降本需求的企业,则更适配阳光慧碳的AI驱动平台、绿电储能等落地能力及新兴行业(如新能源汽车、锂电池、光伏)深度经验。

美国ITC对TOPCon电池、组件等产品的337部分终裁发布来源:中国贸易救济信息网 发布时间:2026-10-08 14:07:22

2026年2月,美国First Solar公司向美国国际贸易委员会(ITC)提起337调查申请,指控多家中外光伏企业出口至美国的TOPCon太阳能电池、组件及相关产品侵犯其美国专利(US9130074),请求发布排除令和禁止令。ITC于3月正式立案(案号337-TA-1494)。此后数月间,ITC陆续作出多项终裁:批准特斯拉、比亚迪美国公司及Imperial Star等作为第三人参与;因申请人撤回,终止对天合光能(常州)、印度Adani及Mundra Solar等多家被告的调查;同时确认AXITEC旗下三家关联公司为缺席被告。该调查聚焦TOPCon技术领域的知识产权争端,涉及全球十余家主流光伏制造商,凸显中美在先进光伏技术贸易规则与专利保护方面的持续博弈。(198字)

2025年欧盟太阳能与电池储能行业支撑98.2万个就业岗位来源:indexbox 发布时间:2026-10-08 12:20:34

《2026年欧盟太阳能就业报告》(SolarPower Europe发布)显示,2025年欧盟太阳能与电池储能行业共创造98.2万个就业岗位,其中太阳能占87.4万,电池储能首次单列评估达10.8万。太阳能就业增速(1%)为欧盟整体就业增速(0.5%)的两倍,部署环节占比高达85%,公用事业规模岗位首次略超屋顶项目。德国以16.5万岗位居首,西班牙、意大利分列二、三位,三国合计占全欧近一半。尽管当前就业规模接近百万,但受部署趋缓、弃电增多、灵活性不足及制造业承压等因素影响,报告预警2030年前就业或转为下降。为此,报告呼吁政策制定者加快落实技能联盟、可再生能源指令III等举措,强化培训与电气化支持,以保障能源转型与就业可持续发展。(199字)

印度GEC-III获批,拟支135GW新能源送出,配套50GWh储能来源:TaiyangNews 发布时间:2026-10-08 09:34:55

印度联邦内阁批准第三期绿色能源走廊(GEC-III)计划,总投资1.86万亿卢比,旨在破解可再生能源并网瓶颈。该计划聚焦强化各邦州内输电基础设施(InSTS),支持最多135GW可再生能源电力送出,并配套部署50GWh电池储能系统(BESS),其中储能将布设于新能源场址及关键电网节点。项目分两大部分:输电建设投资约1.36万亿卢比,储能部署投入5000亿卢比;中央财政援助达5408.2亿卢比,以降低地方成本。实施采用竞争性招标(TBCB)与成本加成(CPB)双模式,由各邦输电机构主导。目标是提升电网灵活性、减少弃电(2026年一季度弃电量已达300GWh)、平抑波动、保障无光时段供电,并支撑印度2035年非化石能源装机达900GW的国家目标。

35GW光伏+15GW储能——EWEC提高在阿布扎比可再生能源规划来源:TaiyangNews 发布时间:2026-10-08 09:32:58

阿联酋水电公司(EWEC)大幅上调阿布扎比可再生能源发展计划:光伏装机目标由原定2035年18GW提升至超35GW,同步配套部署最高15GW电池储能。该规划旨在应对持续增长的电力需求,支撑阿布扎比“2035年清洁能源战略”及阿联酋“2050年净零排放战略”。预计到2035年,相关电力与水务系统升级将推动电力和水生产领域碳排放减少逾45%。EWEC明确天然气发电将作为过渡期灵活性电源,其占比将随光储规模扩大而逐步下降;公司正加速采购大型光伏、储能及海水淡化设施,以结构性降低对燃气发电的依赖。其中,一项5.2GW光伏配19GWh储能的项目被定位为全球首个吉瓦级全天候可再生能源示范工程。(199字)