胡勇胜团队,时隔五年水系电池方向再发NatureEnergy:极端低温水系钠离子电池

锂电联盟会长 2024-05-11 11:54

点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!



一、【导读】


水系碱金属离子电池由于具有高安全低成本优势,成为了大规模电网储能的前沿技术之一。在2019年,中科院物理所胡勇胜团队针对水系钾离子电池体系的研究,在Nature Energy上报道了国际第一款水系钾离子全电池(Jiang et al. Nat. Energy 2019, 4, 495-503),所设计的KFeMnHCF-3565/22 m KCF3SO3/PTCDI实现了高比能长寿命宽温区(80 Wh/kg,2000周,-20℃至60℃)。然而,由于水系电解液在低温下存在易冻结的问题,使得水系碱金属离子电池在极低温下的运行了很大的限制。于是,胡勇胜团队及其合作者通过提出极端低温水系防冻电解液的一般性设计策略,设计了能一款在-85℃下运行的水系钠离子电池。近日,该工作发表于Nature Energy上。



三、【核心创新点】


为了提出极端低温水系电解液的一般性策略,本文作者首先基于对H2O-solute平衡和亚平衡相图的深入理解,提出在设计极低温电解液时,实现低共晶温度(Te)和强过冷能力(SCA)比传统方法中实现低冰点(Tf)更加重要。因为在H2O-solute相图中,冰点Tf往往无法反映水系电解液的防冻低温极限。相比之下,Te决定了电解液体系热力学上的防冻低温极限,玻璃化转变温度Tg)则决定了电解液体系动力学上的防冻低温极限,其中Tg只有在具有强过冷能力的体系才能应用于低温电池。因此选择低共晶温度Te和强过冷能力的H2O-solute体系,对于设计极端低温防冻水系电解液非常关键。
本文作者基于大量差示扫描量热数据,提出了设计极端低温防冻水系电解液一般性策略:低共晶温度和强过冷能力的电解液可以通过引入具有高阳离子势的盐或者高溶剂给体数的共溶剂来构建多溶质体系来实现。作者以钠基H2O-solute体系为例,通过引入高阳离子势的盐(Al3+, Ca2+)和高溶剂电子给体数溶剂(乙二醇,即EG)的策略,设计了一系列钠基的极端低温防冻电解液:1 m NaCF3SO3 + 2.5 m Al(CF3SO3)3,(Na-H2O-Al;T= -53.5℃, T= -86.1℃),H50EG50-2 m NaCF3SO3 (Na-H2O-EG;T= -67.5℃, T= -114.5℃),1 m NaClO4 + 4 m Ca(ClO4)2 (Na-H2O-Ca;T= -72.6℃, T= -117.1℃)。
所设计的NaFeMnHCF/Na-H2O-EG/NaTi2(PO4)3水系钠离子全电池实现了室温下80 Wh/kg能量密度,8C倍率循环5000周后容量保持率70%,能在-60℃至25℃下正常工作,并在-70℃下点亮LED灯。所设计的NaFeMnHCF/Na-H2O-Ca/PTCDI水系钠离子全电池实现了室温下65.7 Wh/kg能量密度,4C倍率下循环250周循环容量保持91.1%,且所组装的10mAh软包电池能在-85℃至25℃之间正常工作。



四、【数据概览】


图1、该图展示了H2O-solute体系中稀溶液从高温到低温下的物态变化以及传统策略(调控冰点Tf)和本文策略(调控Te和过冷能力) 的差别。其中Tf是指降温过程中稀溶液的水首次转变为冰的温度,Te是指降温过程中稀溶液的水首次转变为并冰和水合盐结晶水的温度,Tg是指降温过程中稀溶液的水首次转变为玻璃态的温度。
图2、该图通过总结大量差示扫描量热数据,发现具有强阳离子势的H2O-salt体系或者具有高溶剂电子给体数的H2O-solvent体系往往会具有强过冷能力。随后提出 一般性策略:低共晶温度和强过冷能力的电解液可以通过引入具有高阳离子势的盐或者高溶剂给体数的共溶剂来构建多溶质体系来实现。最后以钠基H2O-solute体系为例,通过引入高阳离子势的盐(Al3+, Ca2+)和高溶剂电子给体数溶剂(乙二醇,即EG)的策略,设计了一系列钠基的极端低温防冻电解液。
图3、该图通过Raman和分子动力学模拟来揭示所设计电解液具有低Te的机理:多溶质体系打破了更多氢键,增加了电解液局域结构的多样性,达到更高的无序度,从而实现了更低的共晶温度Te
图4、该图通过核磁共振数据以及分子动力学模拟来揭示所设计电解液具有强过冷能力的机理:引入高阳离子势增加了对电解液中水分子的结合能力,从而使得电解液更难结晶并实现了强过冷能力。引入高溶剂电子给体数增加了电解液局域结构的复杂性,提高了电解液局域结构与结晶化合物局域结构的差异性,从而使得电解液更难结晶并实现了强过冷能力。
图5、该图展示了基于所设计的极端低温防冻电解液组装的全电池性能。其中NaFeMnHCF/ Na-H2O-EG/NaTi2(PO4)3电池室温能量密度可达80 Wh/kg,8C倍率循环5000周后容量保持率70%,且能在-60℃至25℃下并在-70℃下点亮LED灯。NaFeMnHCF/ Na-H2O-Ga/PTCDI电池室温能量密度可达65.7 Wh/kg,4C倍率下循环250周循环容量保持91.1%,且所组装的10mAh软包电池能在-85℃至25℃下正常工作。



五、【成果启示】


胡勇胜团队及其合作者针对水系电解液在低温下存在易冻结的问题,基于对H2O-solute平衡和亚平衡相图的深入理解以及大量差示扫描量热数据的归纳总结,提出了极端低温水系防冻电解液的一般性设计策略:低共晶温度和强过冷能力的电解液可以通过引入具有高阳离子势的盐或者高溶剂给体数的共溶剂来构建多溶质体系来实现。所设计的水系钠离子电池实现了高比能长寿命宽温区(65.7-80 Wh/kg,250-5000周,−85℃到25 °C)。该工作为极端低温水系电池的理性设计,提供了有意义的指导。
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01527-5
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0388-0



六、【作者信息】


胡勇胜(通讯),中国科学院物理研究所研究员,中国科协十大代表,中科海钠创始人。英国皇家化学学会会士/英国物理学会会士,入选国家科技创新领军人才计划。先后承担了国家科技部863创新团队、国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划项目等项目。自2011年以来主要从事钠离子电池的应用基础研究,相关研究成果发表在Science、Nat. Energy,Nat. Mater.,Joule,Nat. Commun.,Sci. Adv.等学术期刊300余篇,引用43000余次,H-因子106,连续8年入选科睿唯安 “高被引科学家”名录。合作申请80余项中国发明专利、已授权60项专利(包括多项美国、日本、欧盟专利)。目前担任ACS Energy Letters杂志资深编辑,合著出版《钠离子电池科学与技术》及《Sodium-Ion Batteries》。荣获第七届国际储能创新大赛中 “2023储能年度人物”、2022年北京市自然科学奖一等奖、2022年中国科学院大学领雁银奖、第十四届中国青年科技奖、国际电化学学会Tajima Prize等;开发的钠离子电池技术2023年入选中关村论坛重大科技成果、2022年在第一届全国先进储能技术创新挑战赛中荣获“技术创新奖”、第六届国际储能创新大赛中荣获“2022储能技术创新典范TOP10”、2022年入选“奋进新时代”主题成就展、第三届国际储能创新大赛中荣获“2019储能技术创新典范TOP10”和“评委会大奖”、第九届中国科学院北京分院科技成果转化特等奖、2020年科创中国科技创新创业大赛TOP10、2020年中关村国际前沿科技创新大赛总决赛亚军、入选2020年度中国科学十大进展30项候选成果。牵头制定了国内首个钠离子电池团体标准《钠离子蓄电池通用规范》,作为大会主席,举办全国钠电池会议2次和国际钠电池会议1次。
赵君梅(通讯)中国科学院过程工程研究所研究员,博士生导师,主要从事金属基电池材料及器件研究。共发表SCI论文70余篇,包括Nat. Energy, Nat. Commun.,Joule,Angew. Chem. Int. Ed.,J. Am. Chem. Soc.等,申请发明专利55件,授权30余件,拥有多项核心专利。主持或完成多项国家自然科学基金、科技部项目、北京市、中国科学院及企业地方合作任务等,在国际钠离子电池会议以及国内各类储能论坛做邀请报告10余次。获中国颗粒学会自然科学奖一等奖1项(1/7),2023第二届先进储能技术创新挑战赛“技术创意二等奖”2项(国家工业和信息化部),入选江苏省常州市 “龙城英才计划”第23批领军人才。担任河南大学讲座教授 (2022-2024),钠思科(溧阳)新材料有限责任公司首席科学家(2023),中科院过程所过程女杰(2024)。
卢怡君(通讯)现任香港中文大学教授,英国皇家化学会会士,香港青年科院创始会员。主要研究方向为:电化学储能机理、电极材料的可控设计和高效新能源体系的开发等。课题组长期致力于新型高能量低成本液流电池材料开发,金属-氧/硫电池机理研究,新型水系电解液体系以及高安全有机电解液体系开发。相关研究成果发表在Nat. Energy, Nat. Mater., Nat. Sustain., Joule, Energy Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nat. Commun.等国际一流期刊。担任J. Mater. Chem. A和Mater. Adv.期刊副主编, 并在Mater. Today, Chem. Mater., ACS Energy Lett.等期刊担任编辑顾问。
陆雅翔(通讯),中国科学院物理研究所副研究员,博士生导师,科技部重点研发计划(青年项目)首席科学家,国家优秀青年科学基金获得者。主要从事二次电池关键材料、界面性质及器件构筑等相关研究工作。近年来在国内外重要学术期刊上发表学术论文50余篇,H-因子36。已授权中国发明专利10余项,参著《钠离子电池科学与技术》,主持国家自然科学基金面上项目、北京市自然科学基金面上项目和企业前瞻性战略研发项目等。担任SusMat, Carbon Energy, Carbon Future期刊青年编委。荣获北京市科学技术奖自然科学奖一等奖(2022)、北京市科学技术协会“首都前沿学术成果”奖(2022)、Energy Storage Materials青年科学家奖(2023)等多项学术荣誉。
蒋礼威(一作)香港中文大学博士后,于2020年博士毕业于中国科学院物理研究所,导师为胡勇胜研究员。目前在香港中文大学卢怡君教授课题组从事博士后研究,主要研究方向为高比能长寿命宽温区水系碱金属离子电池的电极材料与电解液设计。曾以第一作者在Nat. Energy (2篇), Adv. Mater., Energy Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc.(共一), ACS Energy Lett.等期刊发表过学术论文。已获授权国家发明专利4项,曾获中国科学院院长优秀奖、中国硅酸盐学会优秀博士论文奖等奖项。
韩帅(一作)中国科学院物理研究所博士生,导师为胡勇胜研究员,主要研究方向为高能量密度水系钠、钾离子电池的设计和普鲁士蓝类似物电极材料的研究。曾以第一或共一作者在Nat. Energy, ACS Energy Lett., Chin. Phys. Lett., Acta Phys. Sin-ch. Ed等期刊发表过学术论文,申请国家发明专利2项。
胡远超(一作)松山湖材料实验室研究员,工学博士,博士生导师。于2018年在中国科学院物理研究所和香港城市大学获得博士学位。曾任东京大学JSPS博士后和耶鲁大学助理研究员。主要研究方向为利用分子动力学模拟研究非晶态材料与物理。相关研究工作发表在Nat. Phys., Nat. Commun., PNAS, Sci. Adv., Adv. Mater.等国际学术期刊,担任包括Nature, Nat. Phys., Nat. Commun., Phys. Rev. Lett.等知名学术期刊审稿人。
本文由慕雨潇潇供稿。
相关阅读:
锂离子电池制备材料/压力测试
锂电池自放电测量方法:静态与动态测量法
软包电池关键工艺问题!
一文搞懂锂离子电池K值!
工艺,研发,机理和专利!软包电池方向重磅汇总资料分享!
揭秘宁德时代CATL超级工厂!
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看!
锂离子电池生产中各种问题汇编
锂电池循环寿命研究汇总(附60份精品资料免费下载)

锂电联盟会长 研发材料,应用科技
评论
  • 引言汽车行业正经历一场巨变。随着电动汽车、高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶技术的普及,电子元件面临的要求从未如此严格。在这些复杂系统的核心,存在着一个看似简单却至关重要的元件——精密电阻。贞光科技代理品牌光颉科技的电阻选型过程,特别是在精度要求高达 0.01% 的薄膜和厚膜技术之间的选择,已成为全球汽车工程师的关键决策点。当几毫欧姆的差异可能影响传感器的灵敏度或控制系统的精确性时,选择正确的电阻不仅仅是满足规格的问题——它关系到车辆在极端条件下的安全性、可靠性和性能。在这份全面指南中,我们
    贞光科技 2025-03-12 17:25 92浏览
  • 本文介绍Android系统主板应用配置默认获取管理所有文件权限方法,基于触觉智能SBC3588行业主板演示,搭载了瑞芯微RK3588芯片,八核处理器,6T高算力NPU;音视频接口、通信接口等各类接口一应俱全,支持安卓Android、Linux、开源鸿蒙OpenHarmony、银河麒麟Kylin等操作系统。配置前提在配置前,建议先将应用配置成系统应用,不然配置后系统每次重启后都会弹窗提示是否获取权限。应用配置成系统应用,可参考以下链接方法:瑞芯微开发板/主板Android系统APK签名文件使用方法
    Industio_触觉智能 2025-03-12 14:34 54浏览
  •        随着人工智能算力集群的爆发式增长,以及5.5G/6G通信技术的演进,网络数据传输速率的需求正以每年30%的速度递增。万兆以太网(10G Base-T)作为支撑下一代数据中心、高端交换机的核心组件,其性能直接决定了网络设备的稳定性与效率。然而,万兆网络变压器的技术门槛极高:回波损耗需低于-20dB(比千兆产品严格30%),耐压值需突破1500V(传统产品仅为1000V),且需在高频信号下抑制电磁干扰。全球仅有6家企业具备规模化量产能力,而美信科
    中科领创 2025-03-13 11:24 40浏览
  • 一、行业背景与用户需求随着健康消费升级,智能眼部按摩仪逐渐成为缓解眼疲劳、改善睡眠的热门产品。用户对这类设备的需求不再局限于基础按摩功能,而是追求更智能化、人性化的体验,例如:语音交互:实时反馈按摩模式、操作提示、安全提醒。环境感知:通过传感器检测佩戴状态、温度、压力等,提升安全性与舒适度。低功耗长续航:适应便携场景,延长设备使用时间。高性价比方案:在控制成本的同时实现功能多样化。针对这些需求,WTV380-8S语音芯片凭借其高性能、多传感器扩展能力及超高性价比,成为眼部按摩仪智能化升级的理想选
    广州唯创电子 2025-03-13 09:26 33浏览
  • DeepSeek自成立之初就散发着大胆创新的气息。明明核心开发团队只有一百多人,却能以惊人的效率实现许多大厂望尘莫及的技术成果,原因不仅在于资金或硬件,而是在于扁平架构携手塑造的蜂窝创新生态。创办人梁文锋多次强调,与其与大厂竞争一时的人才风潮,不如全力培养自家的优质员工,形成不可替代的内部生态。正因这样,他对DeepSeek内部人才体系有着一套别具一格的见解。他十分重视中式教育价值,因而DeepSeek团队几乎清一色都是中国式学霸。许多人来自北大清华,或者在各种数据比赛中多次获奖,可谓百里挑一。
    优思学院 2025-03-13 12:15 47浏览
  • 北京时间3月11日,国内领先的二手消费电子产品交易和服务平台万物新生(爱回收)集团(纽交所股票代码:RERE)发布2024财年第四季度和全年业绩报告。财报显示,2024年第四季度万物新生集团总收入48.5亿元,超出业绩指引,同比增长25.2%。单季non-GAAP经营利润1.3亿元(non-GAAP口径,即经调整口径,均不含员工股权激励费用、无形资产摊销及因收购产生的递延成本,下同),并汇报创历史新高的GAAP净利润7742万元,同比增长近27倍。总览全年,万物新生总收入同比增长25.9%达到1
    华尔街科技眼 2025-03-13 12:23 47浏览
  • 前言在快速迭代的科技浪潮中,汽车电子技术的飞速发展不仅重塑了行业的面貌,也对测试工具提出了更高的挑战与要求。作为汽车电子测试领域的先锋,TPT软件始终致力于为用户提供高效、精准、可靠的测试解决方案。新思科技出品的TPT软件迎来了又一次重大更新,最新版本TPT 2024.12将进一步满足汽车行业日益增长的测试需求,推动汽车电子技术的持续革新。基于当前汽车客户的实际需求与痛点,结合最新的技术趋势,对TPT软件进行了全面的优化与升级。从模型故障注入测试到服务器函数替代C代码函数,从更准确的需求链接到P
    北汇信息 2025-03-13 14:43 37浏览
  • 在海洋监测领域,基于无人艇能够实现高效、实时、自动化的海洋数据采集,从而为海洋环境保护、资源开发等提供有力支持。其中,无人艇的控制算法训练往往需要大量高质量的数据支持。然而,海洋数据采集也面临数据噪声和误差、数据融合与协同和复杂海洋环境适应等诸多挑战,制约着无人艇技术的发展。针对这些挑战,我们探索并推出一套基于多传感器融合的海洋数据采集系统,能够高效地采集和处理海洋环境中的多维度数据,为无人艇的自主航行和控制算法训练提供高质量的数据支持。一、方案架构无人艇要在复杂海上环境中实现自主导航,尤其是完
    康谋 2025-03-13 09:53 44浏览
  • 一、行业背景与需求痛点智能电子指纹锁作为智能家居的核心入口,近年来市场规模持续增长,用户对产品的功能性、安全性和设计紧凑性提出更高要求:极致空间利用率:锁体内部PCB空间有限,需高度集成化设计。语音交互需求:操作引导(如指纹识别状态、低电量提醒)、安全告警(防撬、试错报警)等语音反馈。智能化扩展能力:集成传感器以增强安全性(如温度监测、防撬检测)和用户体验。成本与可靠性平衡:在复杂环境下确保低功耗、高稳定性,同时控制硬件成本。WTV380-P(QFN32)语音芯片凭借4mm×4mm超小封装、多传
    广州唯创电子 2025-03-13 09:24 41浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖作为全球AI领域的黑马,DeepSeek成功搅乱了中国AI大模型市场的格局。科技大厂们选择合作,接入其模型疯抢用户;而AI独角兽们则陷入两难境地,上演了“Do Or Die”的抉择。其中,有着“大模型六小虎”之称的六家AI独角兽公司(智谱AI、百川智能、月之暗面、MiniMax、阶跃星辰及零一万物),纷纷开始转型:2025年伊始,李开复的零一万物宣布转型,不再追逐超大模型,而是聚焦AI商业化应用;紧接着,消息称百川智能放弃B端金融市场,聚焦AI医疗;月之暗面开始削减K
    华尔街科技眼 2025-03-12 17:37 145浏览
  • 文/杜杰编辑/cc孙聪颖‍主打影像功能的小米15 Ultra手机,成为2025开年的第一款旗舰机型。从发布节奏上来看,小米历代Ultra机型,几乎都选择在开年发布,远远早于其他厂商秋季主力机型的发布时间。这毫无疑问会掀起“Ultra旗舰大战”,今年影像手机将再次被卷上新高度。无意臆断小米是否有意“领跑”一场“军备竞赛”,但各种复杂的情绪难以掩盖。岁岁年年机不同,但将2-3年内记忆中那些关于旗舰机的发布会拼凑起来,会发现,包括小米在内,旗舰机的革新点,除了摄影参数的不同,似乎没什么明显变化。贵为旗
    华尔街科技眼 2025-03-13 12:30 60浏览
  • 在追求更快、更稳的无线通信路上,传统射频架构深陷带宽-功耗-成本的“不可能三角”:带宽每翻倍,系统复杂度与功耗增幅远超线性增长。传统方案通过“分立式功放+多级变频链路+JESD204B 接口”的组合试图平衡性能与成本,却难以满足实时性严苛的超大规模 MIMO 通信等场景需求。在此背景下,AXW49 射频开发板以“直采+异构”重构射频范式:基于 AMD Zynq UltraScale+™ RFSoC Gen3XCZU49DR 芯片的 16 通道 14 位 2.5GSPS ADC 与 16
    ALINX 2025-03-13 09:27 32浏览
  • 曾经听过一个“隐形经理”的故事:有家公司,新人进来后,会惊讶地发现老板几乎从不在办公室。可大家依旧各司其职,还能在关键时刻自发协作,把项目完成得滴水不漏。新员工起初以为老板是“放羊式”管理,结果去茶水间和老员工聊过才发现,这位看似“隐形”的管理者其实“无处不在”,他提前铺好了企业文化、制度和激励机制,让一切运行自如。我的观点很简单:管理者的最高境界就是——“无为而治”。也就是说,你的存在感不需要每天都凸显,但你的思路、愿景、机制早已渗透到组织血液里。为什么呢?因为真正高明的管理,不在于事必躬亲,
    优思学院 2025-03-12 18:24 81浏览
  • 2025年,科技浪潮汹涌澎湃的当下,智能数字化变革正进行得如火如荼,从去年二季度开始,触觉智能RK3562核心板上市以来,受到了火爆的关注,上百家客户选用了此方案,也获得了众多的好评与认可,为客户的降本增效提供了广阔的空间。随着原厂的更新,功能也迎来了一波重大的更新,无论是商业级(RK3562)还是工业级(RK3562J),都可支持NPU和2×CAN,不再二选一。我们触觉智能做了一个艰难又大胆的决定,为大家带来两大重磅福利,请继续往下看~福利一:RK3562核心板149元特惠再续,支持2×CAN
    Industio_触觉智能 2025-03-12 14:45 26浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦