2022低成本鋅鎂二次電池

低成本鋅、鎂二次電池低成本鋅、鎂二次電池國(guó)家無(wú)鉛化的發(fā)展要求低速電動(dòng)車(≤70km/h) 國(guó)家無(wú)鉛化的發(fā)展要求低速電動(dòng)車(≤70km/h) 規(guī)模儲(chǔ)能銷量 我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量及增速2016年我國(guó)電動(dòng)自行車年產(chǎn)超過(guò)5000萬(wàn)輛， 到2020年，全部可再生能源發(fā)電裝機(jī)6.8億千瓦，中國(guó)電動(dòng)自行車社會(huì)保有量達(dá)2.5億輛 發(fā)電量1.9萬(wàn)億千瓦時(shí)，儲(chǔ)能將會(huì)數(shù)百萬(wàn)億元的產(chǎn)值家庭式儲(chǔ)能儲(chǔ)能電站老年代步車電動(dòng)自行車低速電動(dòng)車(≤70低速電動(dòng)車(≤70km/h) 規(guī)模儲(chǔ)能電動(dòng)自行車 老年代步車 儲(chǔ)能電站 家庭式儲(chǔ)能銷量 我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量及增速2016年我國(guó)電動(dòng)自行車年產(chǎn)超過(guò)5000萬(wàn)輛， 到2020年，全部可再生能源發(fā)電裝機(jī)6.8億千瓦，中國(guó)電動(dòng)自行車社會(huì)保有量達(dá)2.5億輛 發(fā)電量1.9萬(wàn)億千瓦時(shí)，儲(chǔ)能將會(huì)數(shù)百萬(wàn)億元的產(chǎn)國(guó)家無(wú)鉛化的發(fā)展要求研究背景-鋰電池替代？VS.鋰電池短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全取代鉛酸電池。研究背景-鋰電池替代？VS.鋰電池短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全取代鉛酸電池。Li:0.0065%(地殼含量)可采資源為鹽湖和鋰輝石>80%。2017年鋰輝石進(jìn)口量277萬(wàn)噸。鋰動(dòng)力電池問(wèn)題：返修周期長(zhǎng)鉛酸 消費(fèi)者心理鋰電低成本多價(jià)金屬電池體系--Zn、Mg低成本多價(jià)金屬電池體系--Zn、Mg、Al多電子轉(zhuǎn)移電池的優(yōu)勢(shì)：價(jià)格低廉 （有望突破鉛酸電池線）高安全、綠色環(huán)保高能量密度（）15萬(wàn)/噸1.8萬(wàn)/噸 1.6萬(wàn)/噸 1.7萬(wàn)/噸該領(lǐng)域符合國(guó)家戰(zhàn)略需求和發(fā)展大趨勢(shì)，有利于整體資源整合和利用。低成本多價(jià)金屬電池體系--Zn、Mg、Al國(guó)際發(fā)展高點(diǎn)是我國(guó)在未來(lái)能源爭(zhēng)奪戰(zhàn)中保持領(lǐng)先的關(guān)鍵?。?！Albattery低成本多價(jià)金屬電池體系--Zn、Mg、Al國(guó)際發(fā)展高點(diǎn)是我國(guó)在未來(lái)能源爭(zhēng)奪戰(zhàn)中保持領(lǐng)先的關(guān)鍵?。。lbattery：Mgbattery：Znbattery：關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題理論容量如何真正實(shí)現(xiàn)可逆多電子轉(zhuǎn)移過(guò)程？目前實(shí)現(xiàn)容量多價(jià)陽(yáng)離子界面轉(zhuǎn)移/嵌脫過(guò)程 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題理論容量如何真正實(shí)現(xiàn)可逆多電子轉(zhuǎn)移過(guò)程？目前實(shí)現(xiàn)容量多價(jià)陽(yáng)離子界面轉(zhuǎn)移/嵌脫過(guò)程 金屬負(fù)極可逆的沉積/溶出反應(yīng)集 集流 流體 體瓶頸：高效、穩(wěn)定的電解質(zhì)體系正極界 電解質(zhì) 界面 面負(fù)極開(kāi)創(chuàng)Mg、Zn基高效電解質(zhì)體系2015年：確立方向2015-2016:電解質(zhì)結(jié)構(gòu)（大陰離子鹽、聚合物）分子設(shè)計(jì)瓶頸問(wèn)題，做出優(yōu)勢(shì)，確立特色。開(kāi)創(chuàng)Mg、Zn基高效電解質(zhì)體系2015年：確立方向2015-2016:電解質(zhì)結(jié)構(gòu)（大陰離子鹽、聚合物）分子設(shè)計(jì)瓶頸問(wèn)題，做出優(yōu)勢(shì)，確立特色。核心材料與科學(xué)問(wèn)題2017:固液界面精準(zhǔn)調(diào)控2017:匹配超高容量材料2018:離子化學(xué)環(huán)境優(yōu)化2019~~Adv.Mater.,2018,Accepted.Adv.Funct.Mater.2018,28,1701718Electrochim.Acta2018,280,108ACSAppl.Mater.Interfaces2018,10,23757J.EnergyChem.10.1016/j.jechem.2018.05.016Adv.EnergyMater.2017,7,1602055Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,7871EnergyEnviron.Sci.2017,10,2616Electrochem.Commun.2017,83,72Small2017,1702277J.Elechochem.2017,21,13926J.Chem.A2016,4,2277Electrochem.Commun.2016,6,69研究背景-鎂電池金屬鎂、金屬鋰對(duì)比圖鎂電池的優(yōu)勢(shì)：價(jià)格低廉高體系能量密度高安全開(kāi)發(fā)公司：北美豐田研究院 未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域：低速電動(dòng)車公司 規(guī)模儲(chǔ)能航天等特殊儲(chǔ)能領(lǐng)域研究背景-鎂電池金屬鎂、金屬鋰對(duì)比圖鎂電池的優(yōu)勢(shì)：價(jià)格低廉高體系能量密度高安全開(kāi)發(fā)公司：北美豐田研究院 未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域：低速電動(dòng)車公司 規(guī)模儲(chǔ)能航天等特殊儲(chǔ)能領(lǐng)域圖二價(jià)離子電池論文發(fā)表狀況圖Gregoryetal.,Chem.Rev.2014,114,11683;Cederetal.,Chem.Rev.2017,117,4287金屬負(fù)極價(jià)格（美元/噸）質(zhì)量比容量（mAh/g）體積比容量（mAh/cc）枝晶鎂270022053833無(wú)鋰6480038612061有研究背景-鎂電池高電壓電解質(zhì)Mohtadietal.,Angew.Chem.,Int.Ed.2015,54,7900?7904.格式試劑電解質(zhì)的發(fā)現(xiàn)Gregoryetal.,J.Electrochem.Socience1990,137,775.鎂-硫電池Muldoonetal.,Nat.Commun.2011,2,427未來(lái)方向：研究背景-鎂電池高電壓電解質(zhì)Mohtadietal.,Angew.Chem.,Int.Ed.2015,54,7900?7904.格式試劑電解質(zhì)的發(fā)現(xiàn)Gregoryetal.,J.Electrochem.Socience1990,137,775.鎂-硫電池Muldoonetal.,Nat.Commun.2011,2,427未來(lái)方向：高電壓型（Mg-S）1990年年2015年；Nature2000,407,724有效能量密度<60Wh/kg性能參數(shù)：輸出電壓1.1V；容量80mAh/g3.循環(huán)壽命>2000金屬鎂 格式試劑 Mo6S8衍生物 圖Mo6S8正極電量曲線圖第一款鎂電池雛形Aurbachetal.,Nature2000,407,724.2000年鎂二次電池存在挑戰(zhàn)目前正極材料同樣存在挑戰(zhàn)：（Mg鎂二次電池存在挑戰(zhàn)目前正極材料同樣存在挑戰(zhàn)：（Mg2+高容量正需步循性 硫正極材前樂(lè)！！電解液的最大問(wèn)題：Li+/Li電位-3.04Vvs.SHE足以使大部分溶劑和部分鋰鹽陰離子還原分解，分解產(chǎn)物可以傳導(dǎo)Li+。Mg2+/Mg電位-2.37Vvs.SHE也足以使大部分溶劑（除了醚類溶劑）和部分鎂鹽陰離子還原分解，但分解產(chǎn)物不能傳導(dǎo)Mg2+。新型鎂基電解液的開(kāi)發(fā)——B中心陰離子的設(shè)計(jì)理念Boron-centeredanion-basedmagnesiumelectrolyte(BCMelectrolyte)六氟異丙氧基實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算都證實(shí)穩(wěn)定性Energy新型鎂基電解液的開(kāi)發(fā)——B中心陰離子的設(shè)計(jì)理念Boron-centeredanion-basedmagnesiumelectrolyte(BCMelectrolyte)六氟異丙氧基實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算都證實(shí)穩(wěn)定性Energy新型鎂基電解液的開(kāi)發(fā)——B中心陰離子的設(shè)計(jì)理念Energy2017,1602055新型鎂基電解液的開(kāi)發(fā)——B中心陰離子的設(shè)計(jì)理念Energy2017,1602055Mg-S電池性能1100mAh/g穩(wěn)定循環(huán)30次以上Mg-Se電池性能倍率優(yōu)異！200次循環(huán)后容量為400 mAh g-1新型電解液的開(kāi)發(fā)-高電壓非親核電解液體系（>4.0V）THFPB(硼酸三六氟異丙基酯)+MgOinDMETHFPB+MgO，在循環(huán)伏安測(cè)試過(guò)程中，電流逐漸增大，確認(rèn)其鎂鹽發(fā)生了變化，但其氧化穩(wěn)定性確實(shí)大幅提升。Electrochem.Commun.新型電解液的開(kāi)發(fā)-高電壓非親核電解液體系（>4.0V）THFPB(硼酸三六氟異丙基酯)+MgOinDMETHFPB+MgO，在循環(huán)伏安測(cè)試過(guò)程中，電流逐漸增大，確認(rèn)其鎂鹽發(fā)生了變化，但其氧化穩(wěn)定性確實(shí)大幅提升。Electrochem.Commun.新型電解液的開(kāi)發(fā)—大陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)[Mg4Cl6(DME)6]2+OMBB電解液在Mg-Mo6S新型電解液的開(kāi)發(fā)—大陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)[Mg4Cl6(DME)6]2+OMBB電解液在Mg-Mo6S8電池中的性能數(shù)據(jù)基于前期對(duì)于鎂電池電解液體系的探索，通過(guò)原位一步合成的方式，得到一款有機(jī)硼酸鎂基（OMBB）電解液：THFPB+MgCl2+Mg粉在Mg2+引入配位的Cl，形成大陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)的[Mg4Cl6(DME)6]2+，確實(shí)有助于提升電解液的電化學(xué)性能。EnergyEnviron.Sci.2017,相對(duì)較高的氧化穩(wěn)定性低的鎂沉積過(guò)電位新型電解液的開(kāi)發(fā)—大陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)[Mg4Cl6(DME)6]2+新型電解液的開(kāi)發(fā)—大陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)[Mg4Cl6(DME)6]2+無(wú)枝晶高安全低價(jià)格高容量轉(zhuǎn)換型正極材料的機(jī)理—Se、S正極相關(guān)機(jī)理研究Adv.Funct.Mater.Cu粉+Se粉的電極可以擺脫對(duì)于Cu集流體的依賴Cu3轉(zhuǎn)換型正極材料的機(jī)理—Se、S正極相關(guān)機(jī)理研究Adv.Funct.Mater.Cu粉+Se粉的電極可以擺脫對(duì)于Cu集流體的依賴Cu3Se2的中間相 放電產(chǎn)物研究背景-鋅電池鋅電池發(fā)展1799年研究背景-鋅電池鋅電池發(fā)展1799年-1800年 鋅電池/電堆 1886年 1882-1950年 1899年 1960年鋅錫/鋅銀電池 鋅錳干電池 堿性鋅錳電池 鋅鎳電池 可充電堿性鋅錳電池 離子1836年 1866年 1878-1970年 1900年 1980年 電Daniel電池 Leclanche電池 鋅空氣電池 鋅汞電池 無(wú)汞堿性鋅錳電池 池鋅銅原電池 鋅錳濕電池金屬鋅：821mAh/g;5860mAh/cc2.5萬(wàn)元/噸鋅電池的優(yōu)勢(shì)：能量密度與鉛酸相當(dāng)空氣組裝，工藝簡(jiǎn)單兼容水相體系Zn-Ag用于手表、計(jì)算器等低耗設(shè)備Zn-MnO2(堿性)最流行的通用型一次電池Zn-MnO2(勒克朗謝)最早進(jìn)入市場(chǎng)的實(shí)用電池鋅基二次電池商業(yè)化進(jìn)程-規(guī)模儲(chǔ)能EOSEnergyStorageTitaniumcurrentcollectornearneutralpHelecProprietaryelectrolyteaddititrolyteves鋅基二次電池商業(yè)化進(jìn)程-規(guī)模儲(chǔ)能EOSEnergyStorageTitaniumcurrentcollectornearneutralpHelecProprietaryelectrolyteaddititrolyteves鋅基二次電池商業(yè)化進(jìn)程-柔性電池國(guó)外國(guó)內(nèi)鋅基二次電池商業(yè)化進(jìn)程-柔性電池國(guó)外國(guó)內(nèi)研究背景-鋅電池鋅二次電池面臨的挑戰(zhàn)存在問(wèn)題： Goodenough,Chem.Mater.,2010水系電解液窗口窄集 集流 研究背景-鋅電池鋅二次電池面臨的挑戰(zhàn)存在問(wèn)題： Goodenough,Chem.Mater.,2010水系電解液窗口窄集 集流 流體 體正極界 電解質(zhì) 界面 面負(fù)極鋅腐蝕及鈍化鋅枝晶電位窗口“鹽包水”基高電壓電解液“鹽包水”基高電壓電解液“鹽包水”基高電壓電解液鹽包水電解質(zhì)—拓展電位窗口（21mLiTFSI；雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰）2.35V;183Wh/kg（基于正極材料）Zn/LMFP電池的電化學(xué)性能“鹽包水”基高電壓電解液鹽包水電解質(zhì)—拓展電位窗口（21mLiTFSI；雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰）2.35V;183Wh/kg（基于正極材料）Zn/LMFP電池的電化學(xué)性能電化學(xué)窗口Electrochem.Commun“低共熔體”輔助水系電解液~30mol.%H2“低共熔體”輔助水系電解液~30mol.%H2OinDeepEutecticSolventofurea/LiTFSI/Zn(TFSI)21.04LZ-DES/2H2O(30oC)4.25purewater(30oC)偏離Raoult定律NanoEnergy,2019,57,625.Electrochim.Acta,2018,280,108.“低共熔體”輔助水系電解液化學(xué)、電化學(xué)穩(wěn)定性顯著提升“低共熔體”輔助水系電解液化學(xué)、電化學(xué)穩(wěn)定性顯著提升“低共熔體”輔助水系電解液“Water-in-deepeutecticsolvent”electrolyte水分子通過(guò)強(qiáng)烈的相互作用參與到DES的內(nèi)部共熔網(wǎng)絡(luò)“低共熔體”輔助水系電解液“Water-in-deepeutecticsolvent”electrolyte水分子通過(guò)強(qiáng)烈的相互作用參與到DES的內(nèi)部共熔網(wǎng)絡(luò)化學(xué)/電化學(xué)活性降低，賦予水系的優(yōu)異離子輸運(yùn)特性“低共熔體”輔助水系電解液“Water-in-deepeutecticsolvent”electrolyte“低共熔體”輔助水系電解液“Water-in-deepeutecticsolvent”electrolyte鋅二次電池-電極/電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)鋅二次電池-電極/電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)熱可逆聚合物改善界面 Cooling-recovery低溫5分鐘修復(fù)受損界面Angew.Chem.Int.Ed.,鋅二次電池-電極/電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)熱可逆聚合物改善界面PEO鋅二次電池-電極/電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)熱可逆聚合物改善界面PEOm-PPOn-PEOm(Pluronics?/Poloxamer?;非離子型的表面活性劑;生物醫(yī)學(xué))coolingheatingRg=17.170-4oC 25C R=14.819og在極性溶劑（水、甲醇）中均呈現(xiàn)出反向溫度響應(yīng)特性，溫度升高導(dǎo)致PPO與水分子間氫鍵斷裂，溶劑化殼層被破壞，相互作用能減弱，釋放出水分子，聚合鏈由舒展態(tài)變?yōu)樗s態(tài)。鋅二次電池-電極/電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)熱可逆聚合物改善界面電極自浸潤(rùn)效果鋅二次電池-電極/電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)熱可逆聚合物改善界面電極自浸潤(rùn)效果傳統(tǒng)水溶液 Pluronics凝膠新型鋅二次電池-電極/電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)新型鋅二次電池-電極/電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)熱可逆聚合物改善界