上科大团队在电致变色和固态锂金属电池领域取得新进展

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上海科技大学物质科学与技术学院刘巍教授团队长期致力于新能源材料的开发和应用，为高性能、高安全性的下一代电化学器件作出了重要贡献。近日，刘巍教授课题组在电致变色和固态锂金属电池领域又取得新进展。基于铌钨氧材料的水系Zn2+/Al3+电致变色电池电致变色储能器件(EESDs)融合了电致变色和类似电池的电能存储功能，可直观显示储能水平，有望用于下一代新型透明电池。然而，由于光学对比度小、循环稳定性和储能性差等不足，EESDs在实际应用中仍受到诸多限制。针对如上问题，刘巍课题组设计了一款“自供能可视化电池”。该电池可应用在智能窗领域，通过不同颜色状态下对光和热的有效调节，帮助减少空调、照明系统的能源损耗，实现节能环保。同时，不同颜色状态之间的切换可通过正负极的短接(着色)和断开(褪色)实现，无需外部电场的驱动，极大扩展了器件的使用场景。着褪色过程中伴随着能量输出(褪色→着色)和回收(着色→褪色)的功能，其中输出过程(着色)产生的能量可驱动外部用电器运行，并可通过器件当前的颜色状态实时判断器件的能量存储情况(全透明为满电状态)。与传统电致变色器件不同的是，该器件采用水系电解液，不仅极大降低了器件构造价格，更增强了器件的安全性。除此以外，研究人员巧妙地选用电致变色行业新选手“复合铌钨氧化物”作为电致变色层，该材料可实现着色/放电和褪色/充电过程的连续稳定循环。该成果近期发表在学术期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上，上海科技大学2020级博士研究生吴聪为第一作者，刘巍教授为通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。图1.(a)器件结构示意图;(b)器件在不同状态之间稳定切换;(c)器件在不同电解液中的性能对比。熔融盐修饰石榴石型固态电解质界面近年来，全固态锂金属电池因其更高的能量密度和更好的安全性受到了学术界和产业界的广泛关注。石榴石型的固态电解质因具有高离子电导率、宽电化学窗口以及本质安全性，成为当下颇具前景的材料之一。然而，石榴石型的固态电解质与电极之间的刚性接触阻碍了其实现电解质和电极的一体化。针对这一问题，刘巍课题组提出使用低熔点的熔融盐(Li,K,Cs)FSI来修饰石榴石型陶瓷电解质正极界面的方法。经过熔融盐修饰过正极界面的固态电池不仅能够在45至100℃的温度范围内工作，还能够搭配具有高面容量的LiFePO4正极以及高压正极LiFe0.4Mn0.6PO4，以进一步提高电池的能量密度。本研究为具有长循环的固态锂金属电池的界面设计提供了新的思路，并可进一步应用于钠以及钾金属固态电池的正极界面改性方法中。该成果近期发表在学术期刊ACS Energy Letters上，上海科技大学2022级博士研究生于佳萌为第一作者，刘巍教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。