广东工业大学林展教授Nat. Commun.-双极性钠离子电池

　　采用双极性电池结构简化钠离子电池内的组分,利用铝箔与钠不产生合金化过程的特点,设计出双极性钠离子电池,实现电极材料的高效分离和回收处理。该研究成果发表在Nature Communications,题为“Sustainability Inspired Cell Design for a Fully Recyclable Sodium Ion Battery”。

　　Figure 1 | Design and achievement of bipolar electrode structure. (a)Schematic of conventional unipolar electrode structure (one-unit cell).(b)Schematic of proposed bipolar electrode structure (two-unit cell).(c)Linear scanning voltammogramsof Al and Cu foils as the cathodes with metallic Na as the anode at 0~5 V at a scanning speed of 0.2 mV s-1.(d)Discharge curves of Al foil as the cathode with metallic Na as the anode at 100 mA cm-2for 20 h.

　　利用铝箔与钠不产生合金化过程的特点,设计出双极性钠离子电池。相比于传统的电极涂覆方式,铝箔集流体两侧分别涂覆正负极材料,为了避免短路情况,单个电池单元里的电解液被密封。

　　Figure 2 | Electrochemical behavior of a two-unit bipolar NIB cell. (a)Initial charge and discharge curves at 1Cin voltage range from 5.7 to 7.6 V. (b)Cycling of 100 times at 1 C. (c)Rate capabilities from 1 to 20 C. (d)The voltages of long cycles at the beginning and the end of each step under fast charge/discharge.

　　基于双极性结构特点,电极排列的方式是串联,电池总出总电压为串联电池个数与单个电池电压的乘积。双极性钠离子电池表现出优异的倍率特性和循环性能。

　　Figure 3| Schematic close-loop utilization of a proposed NIB unit: Loop 1 (blue), Re-formation of NVP@C from the recycled NVP, and Loop 2 (purple), Recycling of elemental Al in the form of Al(OH)3and elemental Na in the form of NaCl through the procedures of Reaction, Regeneration, and Reprocessing.

　　基于双极性结构特点,双极性钠离子电池能够进行全部的电极材料回收,并加以重新利用,固态材料回收率为98.3%,无需新电极材料组分添加。

　　Figure 4| Characterizations of the reprocessed NVP@C compared with the original NVP@C. (a)XRD spectra. (b)Charge/dischargecurves at 5 Cand (c)cyclic voltammetrycurves.

　　回收的电极材料经过活化处理,可以重新应用于钠离子电池,获得良好的循环性能,使得电极材料在电池生产、使用、报废、回收和再利用之间循环。

　　【小结】

　　该论文面向储能电池的可行性发展,首次提出在钠离子电池内应用双极性结构。通过钠离子电池结构的重新设计,证实了一种理念:在储能电池设计之处,考虑其回收过程,发展新型的电池材料和结构,这是有利于加强电池的回收可行性。该工作有效地解决了钠离子电池大规模应用后的环境问题。电池的可回收性将是未来储能电池发展的重要环节。

　　Tiefeng Liu, Yaping Zhang, Chao Chen, Zhan Lin*, Shanqing Zhang* and Jun Lu*,Sustainability Inspired Cell Design for a Fully Recyclable Sodium Ion Battery,Nat. Commun.2019, 10,1965.(论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09933-0)

　　作者简介:

　　林展,博士,广东工业大学轻工与化工学院特聘教授,博士生导师,主要从事新能源材料与器件的设计合成及相关基础研究。迄今为止,在Chem. Rev.,Energy Environ. Sci., Nat. Commun., J. Am.Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.等期刊上发表学术论文70余篇,其中以第一作者及通讯作者身份在影响因子IF>10的杂志上发表论文20篇,申请美国专利和中国专利各3项,发表2章节著作,研究成果被世界上30多个国家和地区的同行引用>5000次,h-index=33。(课题组主页:http://www.zhanlinlab.com/index.php)

　　刘铁峰,博士,广东工业大学轻工与化工学院博士后。2017年在哈尔滨工业大学获得博士学位,在博士培养期间获得国家留学基金委资助,赴澳大利亚格里菲斯大学张山青教授课题组联合培养1年,主要从事锂离子电池粘结剂设计与钠离子电池材料和回收设计的研究。在广东工业大学工作期间,以第一作者/共同一作身份在Nat. Commun., Energy Environ. Sci.,Adv. Energy Mater.期刊上发表5篇学术文章,目前以研究员身份就职于浙江工业大学材料科学与工程学院。