锂嵌入型化合物-氢气电池

doi:10.7503/cjcu20200514

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (5): 1610.doi: 10.7503/cjcu20200514

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锂嵌入型化合物-氢气电池

朱正新¹,张翔¹,王明明²,陈维^1,3

^1.中国科学技术大学化学与材料科学学院应用化学系
^2.化学系
^3.微尺度物质科学国家研究中心, 纳米催化与能量转化研究部, 合肥 230026

收稿日期:2020-07-31 出版日期:2021-05-10 发布日期:2020-10-20
基金资助:
中国科学技术大学启动基金(KY2060000150)

Lithium Intercalation Compounds-Hydrogen Gas Batteries

ZHU Zhengxin¹, ZHANG Xiang¹, WANG Mingming², CHEN Wei¹^,³()

^1.Department of Applied Chemistry
^2.Department of Chemistry，School of Chemistry and Materials Science
^3.Division of Nanocatalysis and Energy Conversion，Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Received:2020-07-31 Online:2021-05-10 Published:2020-10-20
Contact: CHEN Wei E-mail:weichen1@ustc.edu.cn
Supported by:
This paper was supported by the Startup Funds from USTC, China(KY2060000150)

摘要/Abstract

摘要：

可充电氢气电池作为一种新兴的电池体系在大规模能源储存领域显示出富有前景的电化学性能. 锂嵌入型化合物作为一大类的锂离子电池正极材料能够很好地用作可充电氢气电池的正极. 本文开发了 2种新型锂嵌入型化合物-氢气电池. 通过使用钴酸锂与磷酸铁锂2种正极材料分别与氢气负极在硫酸锂水系电解液中进行匹配, 得到了钴酸锂-氢气电池与磷酸铁锂-氢气电池. 钴酸锂-氢气电池展现出约1.27 V 的放电电位, 约97 mA·h·g^-1的比容量及10C的高倍率; 磷酸铁锂-氢气电池展现出约0.66 V的放电电位，约125 mA·h·g^-1的比容量以及10C的高倍率. 虽然, 钴酸锂-氢气电池和磷酸铁锂-氢气电池因为使用了未经优化的、不稳定的锂嵌入型化合物正极材料而导致全电池容量衰减, 但这2种电池经过氢气负极的再循环利用均表现出优异的恢复能力. 本文结果证明了氢气电池的化学稳定性及其在未来长寿命电池中具有的大规模能源储存潜力.

关键词: 钴酸锂, 磷酸铁锂, 水系电解液, 氢气负极, 大规模能源储存

Abstract:

Rechargeable hydrogen gas batteries as a category of emerging battery system show promising electrochemical performance for large-scale energy storage applications. As a large group of cathode materials for lithium-ion batteries， lithium intercalation compounds can be adopted as excellent cathodes for the rechargeable hydrogen gas batteries. In this work， two lithium intercalation compounds-H₂ batteries were studied using LiCoO₂（LCO） and LiFePO₄（LFP） as cathodes in combination with hydrogen gas anode in a Li₂SO₄ aqueous electrolyte， naming LCO-H₂ and LFP-H₂ batteries， respectively. The LCO-H₂ battery shows a high discharge potential of ca. 1.27 V with a capacity of ca. 97 mA·h·g^-1， and a good rate of 10C. In addition， the LFP-H₂ battery shows a discharge potential of ca. 0.66 V with a capacity of ca. 125 mA·h·g^-1， and a good rate of 10C. Although the LCO-H₂ and LFP-H₂ batteries show capacity decay due to the intrinsic instability of the untreated lithium intercalation compound cathodes， both of the two batteries exhibit excellent recoverable capacities by recycling the hydrogen gas anode， demonstrating the robustness of the hydrogen gas battery chemistry for future long lifetime batteries with potentials for grid-scale energy storage.

Key words: LiCoO₂, LiFePO₄, Aqueous electrolyte, Hydrogen gas anode, Grid-scale energy storage

中图分类号:

O646

TrendMD:

朱正新, 张翔, 王明明, 陈维. 锂嵌入型化合物-氢气电池. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1610.

ZHU Zhengxin, ZHANG Xiang, WANG Mingming, CHEN Wei. Lithium Intercalation Compounds-Hydrogen Gas Batteries. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1610.

图/表 5

Fig.1 SEM images(A, D), TEM images(B, E), and PXRD patterns(C, F) of LCO(A—C) and LFP(D—F) electrode materials

Fig.2 CV curves at a scan rate of 1 mV/s in the 1st, 2nd, and 3rd cycles(A, C), and charge/discharge curves at a current rate of 0.5C[(1C=140 mA/g)(B) and (1C=170 mA/g)(D)] of LCO(A, B) and LFP(C, D)

Fig.3 CV curve at a scan rate of 0.5 mV/s(A), charge/discharge curves at a current density of 0.5C(B), charge/discharge curves at different discharge rates(C), and rate performance(D) of LCO?H2 battery, charge/discharge curves(E), and cycling performance(F) of LCO?H2 and recycled LCO?H2 batteries at a discharge current density of 2C

Fig.4 CV curve at a scan rate of 0.5 mV/s(A), charge/discharge curves at a current rate of 0.2C(B), charge/discharge curves at different rates(C), rate performance(D) of LFP?H2 battery; charge/discharge curves(E) and cycling performance(F) of LFP?H2 and recycled LFP?H2 batteries at a current rate of 10C

Fig.5 SEM images of pristine Pt/C electrode(A), Pt/C electrode after 50 cycles in LCO?H2 battery(B), Pt/C electrode after 50 cycles in LFP?H2 battery(C), LCO electrode after 50 cycles in LCO?H2 battery(D), pristine LFP electrode(E) and LFP electrode after 50 cycles in LFP?H2 battery(F)

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