固态锂金属电池中PEO基聚合物电解质/电极界面稳定性研究

作     者：韦江海 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈明鸣;苗艳丽

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：PEO g-C3N4 聚合物固态电解质 界面稳定性 高压正极 固态锂金属电池 

摘      要：为寻求兼具高安全性与高比能储能特性的下一代储能技术,固态锂金属电池因采用本质安全的固态电解质与高理论比容量的锂金属负极而引起了学术界和产业界的共同关注。在诸多固态电解质中,聚氧化乙烯(PEO)基聚合物固态电解质(SPE)凭借其良好的柔韧性及可加工性等优势,在法国Bolloré公司发布产业化信息之后引起了研究热潮。当然,产业进程的推进也为学术界提出了急需解决的痛点问题,包括因PEO基SPE枝晶抑制能力有限与氧化分解电位较低而导致的较差的电解质/电极(包括锂金属负极和高压正极)界面稳定性。针对上述关键问题,本论文分别基于均匀调控电解质中Li的分布状态和保护PEO基体免受高压正极材料催化氧化的研究思路,通过富Lewis碱性活性位点功能组分的设计与耐高压正极界面缓冲层的原位构建,探讨了功能组分表面Lewis碱性活性位点与Li之间的络合对锂枝晶不可控生长的缓解作用,研究了耐高压界面缓冲层对PEO基SPE/高压正极界面的保护作用,旨在提升PEO基SPE与电极(包括锂金属负极和高压正极)之间的界面稳定性。研究工作首先设计合成了多孔g-CN(PCN),并将其作为功能组分引入PEO基SPE中。高比表面积的PCN暴露出丰富的Lewis碱性活性位点,通过这些活性位点与Li间的络合作用均匀调控了Li在电解质中的分布状态,缓解了锂枝晶的不可控生长,进而提升了PEO基SPE与锂金属负极之间的界面稳定性。在60°C、0.1 m A cm下,组装有PEO/PCN/Li TFSI电解质的锂对称电池在长达1400 h的工作周期中维持60 m V的低极化电压。此外,PCN改善了PEO基体的结晶行为,提升了PEO/PCN/Li TFSI电解质的Li传输能力(在60°C下的Li电导率达到3.47×10 S cm)。基于第三章研究工作,在PEO/PCN/Li TFSI电解质与Li Co O正极极片之间原位构建了聚碳酸乙烯酯基界面层(PVCA/Li TFSI),以保护PEO/PCN/Li TFSI电解质在高压下免受Li Co O的催化氧化,减缓PEO基体的不可逆氧化分解速率,进而提升了PEO/PCN/Li TFSI电解质与Li Co O正极之间的界面稳定性。Li|PEO/PCN/Li TFSI-PVCA/Li TFSI|Li Co O固态锂金属全电池展现出良好的循环性能(在60°C下,电池经0.1 C循环60圈后仍保持有122.3 m Ah g的比容量)。