上科大團隊在電致變色和固態鋰金屬電池領域取得新進展

(資料圖片)

上海科技大學物質科學與技術學院劉巍教授團隊長期致力于新能源材料的開發和應用，為高性能、高安全性的下一代電化學器件作出了重要貢獻。近日，劉巍教授課題組在電致變色和固態鋰金屬電池領域又取得新進展。基于鈮鎢氧材料的水系Zn2+/Al3+電致變色電池電致變色儲能器件(EESDs)融合了電致變色和類似電池的電能存儲功能，可直觀顯示儲能水平，有望用于下一代新型透明電池。然而，由于光學對比度小、循環穩定性和儲能性差等不足，EESDs在實際應用中仍受到諸多限制。針對如上問題，劉巍課題組設計了一款“自供能可視化電池”。該電池可應用在智能窗領域，通過不同顏色狀態下對光和熱的有效調節，幫助減少空調、照明系統的能源損耗，實現節能環保。同時，不同顏色狀態之間的切換可通過正負極的短接(著色)和斷開(褪色)實現，無需外部電場的驅動，極大擴展了器件的使用場景。著褪色過程中伴隨著能量輸出(褪色→著色)和回收(著色→褪色)的功能，其中輸出過程(著色)產生的能量可驅動外部用電器運行，并可通過器件當前的顏色狀態實時判斷器件的能量存儲情況(全透明為滿電狀態)。與傳統電致變色器件不同的是，該器件采用水系電解液，不僅極大降低了器件構造價格，更增強了器件的安全性。除此以外，研究人員巧妙地選用電致變色行業新選手“復合鈮鎢氧化物”作為電致變色層，該材料可實現著色/放電和褪色/充電過程的連續穩定循環。該成果近期發表在學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上，上海科技大學2020級博士研究生吳聰為第一作者，劉巍教授為通訊作者，上海科技大學為唯一完成單位。圖1.(a)器件結構示意圖;(b)器件在不同狀態之間穩定切換;(c)器件在不同電解液中的性能對比。熔融鹽修飾石榴石型固態電解質界面近年來，全固態鋰金屬電池因其更高的能量密度和更好的安全性受到了學術界和產業界的廣泛關注。石榴石型的固態電解質因具有高離子電導率、寬電化學窗口以及本質安全性，成為當下頗具前景的材料之一。然而，石榴石型的固態電解質與電極之間的剛性接觸阻礙了其實現電解質和電極的一體化。針對這一問題，劉巍課題組提出使用低熔點的熔融鹽(Li,K,Cs)FSI來修飾石榴石型陶瓷電解質正極界面的方法。經過熔融鹽修飾過正極界面的固態電池不僅能夠在45至100℃的溫度范圍內工作，還能夠搭配具有高面容量的LiFePO4正極以及高壓正極LiFe0.4Mn0.6PO4，以進一步提高電池的能量密度。本研究為具有長循環的固態鋰金屬電池的界面設計提供了新的思路，并可進一步應用于鈉以及鉀金屬固態電池的正極界面改性方法中。該成果近期發表在學術期刊ACS Energy Letters上，上海科技大學2022級博士研究生于佳萌為第一作者，劉巍教授為通訊作者，上海科技大學為第一完成單位。