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PEO基复合电解质在固态锂金属电池中的研究

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PEO基复合电解质在固态锂金属电池中的研究

作者：白长江四川大学

学位级别：硕士

基于锂二次电池在新能源领域的发展与需求,高能量密度和高安全性的先进电池系统受到广泛关注。固态锂金属电池采用高机械强度、不易燃、不泄漏的固态电解质和锂金属负极,具有更高能量密度和更高安全性等特性,将是下一代锂电池技术的主... 详细信息

基于锂二次电池在新能源领域的发展与需求,高能量密度和高安全性的先进电池系统受到广泛关注。固态锂金属电池采用高机械强度、不易燃、不泄漏的固态电解质和锂金属负极,具有更高能量密度和更高安全性等特性,将是下一代锂电池技术的主流方向之一。然而,固态电解质作为固态电池的主体材料,仍面临着诸多技术挑战,包括化学/电化学不稳定性、低室温离子传导率、高成本、热稳定性差、尺寸设计等。基于陶瓷-聚合物复合电解质的固态电池研究中,离子传导率、固-固界面接触和机械性能等问题最为关注,其对固态电池的电化学性能影响很大。聚氧化乙烯(PEO)基固态电解质体系中,由于PEO结晶性较强,链段运动缓慢,极大地限制了锂离子(Li)的传输。同时,纯PEO固态电解质中,其较差的机械性能,对锂枝晶生长的抑制性较差,往往会造成短路现象的出现。此外,为了实现更高的离子传导率,高比例锂盐往往会被引入PEO基体中,然而PEO聚合物自身对于锂盐解离能力有限,并不能达到预期的高离子传导率效果。同时,在PEO基复合电解质中,填料的引入必然会造成电极/电解质的不均匀接触,从而导致枝晶的生长和接触失效。本论文针对上述PEO基复合电解质的关键性问题,研究了不同PEO基复合电解质配方中Li的迁移方式和正极材料负载量对固态电池的影响机制,并通过引入脱氟化氢的聚偏氟乙烯(PVDF),提高了PEO基复合电解质的机械性能和离子传导率,并提出创新性界面改性策略,极大地提高了固态锂金属电池的电化学性能。主要研究内容总结如下:(1)通过固相烧结法制备了LLZTO(LiLaZrTaO)电解质粉体,在900℃、6 h、5℃min的烧结程序下,10 wt%Li ***的过量锂源引入量,将得到纯立方相和高离子传导性的LLZTO粉体。在行星球磨后,能够有效的将颗粒粒径控制在0.1 um-8.7 um范围内。通过简单的溶液浇注法获得PEO/LLZTO复合聚合物电解质,探索了不同LLZTO含量对PEO/LLZTO复合电解质的电化学性能和不同正极负载量对固态电池的的影响效果。其中,15 wt%LLZTO含量的复合电解质展现为最高的离子传导率和电化学性能,并认为LLZTO颗粒在PEO/Li TFSI电解质的引入量存在一个阈值。当LLZTO含量低于这个阈值时,其离子传导方式主要通过聚合物的链段运动;否则,复合电解质的离子传导以LLZTO微粒传导为主。对于不同正极负载量的应用,当负载量为1 mg cm时,较薄的电极厚度和较大的电极/电解质有效接触面,从而电池展现为较高的放电容量,当负载量增大时,放电容量也将减少,这是由于较厚的电极厚度,导致部分正极材料没有实现Li的脱嵌过程。尽管复合电解质能渗入电极内部,但由于复合电解质的流动性较差,从而导致部分正极材料失效。(2)通过简单的溶液浇注法获得PEO/PVDF/LLZTO复合聚合物电解质,并通过增加Li载流子密度和形成稳定的界面层,从而构建高性能的固态锂电池。在PEO/PVDF/LLZTO/DMF复合浆料体系中,LLZTO与DMF溶剂中的N原子和C=O基反应,造成N原子呈现一个高电子云密度的状态,从而形成一个类碱性化学环境,最终造成PVDF部分链段进行脱氟化氢反应。在PEO/PVDF/LLZTO复合电解质体系中,部分脱氟化氢的PVDF和LLZTO颗粒的引入,不仅可以促进锂盐的离解,提高Li载流子密度,从而提高复合电解质的离子传导率,而且可以改善复合电解质的机械性能,提高对锂枝晶生长的抑制能力。微量的电解液引入到电极/电解质界面,这有助于原位形成稳定的电化学界面层,从而避免在初始状态和循环过程中的接触损失,并增强聚合物链段的运动。因此,Li Fe PO/Li电池在0.4 C充放电循环200次后,放电容量为160.1 m Ah g,在5 C高倍率下的放电容量为143.3m Ah g。锂对称电池在1000 h循环后而没有发生短路。

关键词：固态锂金属电池复合电解质 Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 离子传导率正极负载量界面稳定性

基于PAN的3D复合固态电解质及其锂金属电池性能研究

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基于PAN的3D复合固态电解质及其锂金属电池性能研究

作者：刘菁北京化工大学

学位级别：硕士

锂离子电池在储能设备、电子产品、电动汽车上具有广泛的应用,但液态电解质的易燃性和锂枝晶问题限制了其进一步的发展,用固态电解质替代安全性能较差的液态电解质是一种有效的解决办法。聚丙烯腈（PAN）因具有良好的机械性能、高的离... 详细信息

锂离子电池在储能设备、电子产品、电动汽车上具有广泛的应用,但液态电解质的易燃性和锂枝晶问题限制了其进一步的发展,用固态电解质替代安全性能较差的液态电解质是一种有效的解决办法。聚丙烯腈（PAN）因具有良好的机械性能、高的离子电导率而受到越来越多的关注。然而,机械性能高的PAN与电极界面接触不够良好,并且PAN中的极性基团C≡N容易与锂金属发生钝化反应,导致界面兼容性变差。为了解决上述问题,在界面和结构方面对其进行改性。首先制备了三维（3D）多孔的PAN基电解质膜,然后利用原位聚合构建稳定的电极界面。其次以多孔的聚酰亚胺纤维（PI）为3D框架,利用离子液体对PAN进行改性,制备柔性的复合固态电解质以解决界面问题。具体工作内容如下:（1）采用溶液浇铸法辅以溶剂蒸发制备了以PAN为聚合物基体,丁二腈（SN）为增塑剂,锂镧锆钽氧（LLZTO）为无机填料的3D多孔PAN基复合固态电解质。在多孔电解质膜和电极之间原位聚合PDOL构建稳定的电极界面,在增强界面接触的同时防止PAN与锂电极发生副反应。改性后Li/Li对称电池的界面阻抗显著降低,由2000Ω下降到160Ω,并且能够稳定运行2000 h,多孔结构为离子传输提供了连续的通道,电解质实现了较高的离子电导率(1.9×10-3 S cm-1,室温;2.5×10-3 S cm-1,60℃)。Li Fe PO4/Li全电池的初始比容量为136.2 m Ah g-1,在1 C,60℃条件下可以稳定循环350圈,容量保持率为90.1%。（2）以PAN作为聚合物基体,具有阻燃性能的离子液体作为增塑剂,LLZTO作为无机颗粒制备混合前驱体溶液,然后将溶液浇铸倾倒在防火纤维PI膜上,制备出柔性的3D复合固态电解质。电化学测试结果表明,所制备的电解质具有高离子电导率(1.6×10-3 S cm-1,室温;2.4×10-3 S cm-1,60℃),宽电化学窗口（4.8 V）以及高离子迁移数（0.78）。NCM622/Li全电池在0.2 C,室温条件下可以稳定循环150圈,容量保持率为96.0%。

关键词： PAN 界面稳定性复合电解质固态锂金属电池

基于多孔LATP叠层框架的复合固态电解质及其锂金属电池性能研究

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基于多孔LATP叠层框架的复合固态电解质及其锂金属电池性能研究

作者：宋正鹏北京化工大学

学位级别：硕士

固态锂金属电池有望解决传统锂离子电池低能量密度、低安全性的问题,是目前研究的焦点。LiAlTi（PO）（LATP）因具有理想的离子迁移能力、优异的水氧稳定性以及高的氧化电压等诸多优点而受到研究人员的广泛关注,然而刚性的LATP与正负极... 详细信息

固态锂金属电池有望解决传统锂离子电池低能量密度、低安全性的问题,是目前研究的焦点。LiAlTi（PO）（LATP）因具有理想的离子迁移能力、优异的水氧稳定性以及高的氧化电压等诸多优点而受到研究人员的广泛关注,然而刚性的LATP与正负极界面存有大的界面阻抗,且与Li金属负极相容性较差,即发生Ti到Ti的还原反应。为了解决LATP在应用中的界面接触和界面副反应问题,本论文设计并制备了基于3D多孔LATP叠层框架的复合固态电解质,即由3D多孔LATP框架和商用纤维素膜TF4030构成多孔LATP叠层框架,然后以1,3-二氧五环（DOL）为前驱体,经渗透-原位聚合后构筑基于LATP叠层框架的复合固态电解质。在此基础上,集成固态锂金属电池,并研究其性能。具体工作内容如下:（1）采用溶液浇筑法制备了柔性多孔叠层LATP框架,在DOL渗透原位聚合之后得到柔性的复合电解质。原位聚合策略和TF4030的引入能够有效降低界面阻抗、提升界面稳定性,其Li/Li对称电池界面阻抗仅141.6Ω,在0.1 m A cm,60℃下能够以低极化电压水平循环超过1200 h;复合电解质能够提供多种连续的离子迁移网络,拥有3.25×10S cm（60℃）的高离子电导率,此外还拥有5.05 V的宽电化学稳定窗口和0.67的高Li迁移数。优异的界面稳定性和电化学性能使对应的Li Fe PO/Li全电池具有出色的循环性能,在0.5 C,60℃条件下能够提供163.3 m Ah g的初始比容量,运行120次之后容量保持率为89.7%。（2）采用NHHCO模板法制备了3D多孔LATP框架。高温烧结使LATP颗粒紧密相连,能够提供更快速的Li迁移网络。3D多孔LATP框架与TF4030构成刚性叠层LATP框架。通过双渗透-原位聚合策略构建了基于刚性叠层LATP框架的复合电解质,其中,3D多孔LATP框架为复合电解质提供了高离子电导率(1.16×10S cm,25℃),宽的电化学窗口（5.48 V）和高的Li迁移数（0.70）;TF4030增强了界面稳定性,其Li/Li对称电池在25℃、0.1 m A cm下能够平稳运行2000 h以上,Li Fe PO/Li全电池在相同循环条件下实现了140.8 m Ah g的初始比容量,400次循环后容量保持率为72.2%。

关键词：多孔LATP叠层框架 1,3-二氧五环原位聚合界面稳定性固态锂金属电池

锂金属电池聚合物固态电解质的构筑与性能研究

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锂金属电池聚合物固态电解质的构筑与性能研究

作者：彭秀平西安建筑科技大学

学位级别：硕士

锂金属电池因其能量密度大、高功率承受力好等诸多优点,成为最具发展前景的下一代电池体系之一。鉴于目前所使用的液态有机电解液,存在易漏和爆炸等巨大的安全隐患,研究本征安全且高效的电解质材料对锂金属电池发展具有重要意义。聚合... 详细信息

锂金属电池因其能量密度大、高功率承受力好等诸多优点,成为最具发展前景的下一代电池体系之一。鉴于目前所使用的液态有机电解液,存在易漏和爆炸等巨大的安全隐患,研究本征安全且高效的电解质材料对锂金属电池发展具有重要意义。聚合物固态电解质相较于液态电解质具有更好的热稳定性、界面保护及抑制枝晶生长的能力,因此采用聚合物固态电解质取代液态电解质是提升电池安全性能的有效方案。然而室温下聚合物固态电解质的离子电导率低、电解质与电极之间界面阻抗大、聚合物固态电池整体循环性能差等问题还有待解决。本文针对上述问题,探究不同添加剂对聚合物电解质界面和整体性能的影响,以期构建安全稳定的电池体系。首先,通过在聚合物基体PVDF-HFP中引入溶剂化离子液体[Li(G4)][TFSI](SIL)和Li BOB,成功制备了一款新型聚合物固态电解质。具有独特溶剂化结构的SIL改善了电解质膜形貌,降低聚合物基底的结晶度并提供了有利的锂离子传输路径。Li BOB的添加则进一步调控了电解质中Li溶剂化配位结构和整体性质。所构筑的电解质室温离子电导率高达2.18×10S cm,锂离子迁移数为0.86,电化学稳定窗口高达5.7 V ***/Li。组装的固态LFP|Li电池在室温0.5 C下放电比容量高达143.2 m Ah g,循环500圈后容量保持率高达95.9%。其次,将SIL和多硫化物LiS引入聚合物基底PEO中,再通过溶液浇筑法将电解质浆料直接浇筑在正极表面,原位成膜,改善电解质与正极之间的界面问题。多硫化物中的S与PEO链段上的基团具有强相互作用,降低聚合物的结晶度,提高电化学稳定窗口,室温下电解质的离子电导率可达6.05×10 S cm。此外电解质表层LiS会与锂接触反应形成一层薄的LiS/LS界面层,有效降低Li界面转移阻抗,调控锂离子沉积,提高电池的循环稳定性。结合多硫化物和正极表面原位成膜的双重优点,优化后的LFP@ELGS|Li电池在室温0.2 C倍率下初始放电比容量可达158.91 m Ah g,平均库伦效率为99.98%,循环100圈后容量保持率高达98.48%。最后,提出了一种可行的正极/电解质一体式锂硫固态电池的设计策略。利用聚合物PEO对LiS具有良好的溶解性这一优点,将含活性物质LiS的PEO固态电解质浆料通过溶液浇筑法集成到多孔的导电碳正极上,形成了电/离子双导的正极/电解质一体式结构。这种独特的结构设计改善了传统硫碳正极和固态电解质接触时的固-固界面接触差问题,提高了活性物质的利用率。此外活性物质以LiS的形式加入PEO电解质中,有效促进Li TFSI的解离,形成了富含Li F的SEI层,调控锂离子的沉积。正极/电解质一体式锂硫固态电池在60℃下放电比容量高达1593 m Ah g,循环180圈后可逆容量仍超过610 m Ah g。

关键词：固态锂金属电池聚合物电解质功能性添加剂多硫化物

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嵌段共聚物电解质的制备及其电化学性能

材料工程 2024年第6期52卷 69-77页

作者：张锟刘娜田君梁晓嫱陈光海高洪波胡道中佟蕾田崔钧王浩辰中国北方车辆研究所北京100072 北京卫蓝新能源科技有限公司北京102402

通过设计聚合物分子结构,采用热引发自由基聚合方法合成聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMEMA)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的二嵌段共聚物电解质PEGMEMAm-GMAn-Br(PGA-Br),并研究其电化学性能。结果表明:将PGA嵌段或接枝到聚合物电解质上... 详细信息

通过设计聚合物分子结构,采用热引发自由基聚合方法合成聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMEMA)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的二嵌段共聚物电解质PEGMEMAm-GMAn-Br(PGA-Br),并研究其电化学性能。结果表明:将PGA嵌段或接枝到聚合物电解质上,可提高聚合物电解质的离子电导率,室温下的离子电导率达1.05×10^(−4)S·cm^(−1)。同时,PGA-Br嵌段共聚物电解质具有较低的玻璃化转变温度(-65℃)、较高的热分解温度、较宽的电化学稳定窗口(5.1 V)和阻燃特性。PGA-Br共聚物电解质组装下的固态Li|Li对称电池具有增强的电极/电解质固-固界面,可实现金属锂均匀沉积,有效抑制锂枝晶的生长。在0.1 C倍率下,基于PGA-Br嵌段共聚物电解质组装的LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)(NCM811)|PGA-Br|Li固态全电池可实现较高的首周放电比容量(160.1 mAh·g^(−1)),且循环100周次后容量保持率高达91.5%,库仑效率稳定在98.5%以上。

关键词：固态锂金属电池嵌段共聚物电解质锂金属负极锂枝晶热引发聚合

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嵌段共聚物电解质的制备及电化学性能

材料工程 2024年

作者：张锟刘娜田君梁晓嫱陈光海高洪波胡道中佟蕾田崔钧王浩辰北京卫蓝新能源科技有限公司中国北方车辆研究所

通过设计聚合物分子结构，采用热引发自由基聚合方法合成聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMEMA)与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的二嵌段共聚物电解质PEGMEMAm-GMAn-Br(PGA-Br)，并研究其电化学性能。结果表明:将PGA嵌段或接枝到聚合物电解质... 详细信息

通过设计聚合物分子结构，采用热引发自由基聚合方法合成聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMEMA)与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的二嵌段共聚物电解质PEGMEMAm-GMAn-Br(PGA-Br)，并研究其电化学性能。结果表明:将PGA嵌段或接枝到聚合物电解质上可提高聚合物电解质的离子电导率，室温下的离子电导率达1.05×10-4S·cm-1。同时，PGA-Br嵌段共聚物电解质具有较低的玻璃化转变温度(－65 ℃)、较高的热分解温度、较宽的电化学稳定窗口(5.1V)和阻燃特性。PGA-Br共聚物电解质组装下的固态Li|Li对称电池具有增强的电极/电解质固-固界面，可实现金属锂均匀沉积，有效抑制锂枝晶的生长。在0.1C倍率下，基于PGA-Br嵌段共聚物电解质组装的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)|PGA-Br|Li固态全电池可实现较高的首周放电比容量(160.1 mAh·g-1)，且循环100周次后容量保持率高达91.5%，库仑效率稳定在98.5%以上。

关键词：固态锂金属电池共聚物电解质锂金属负极锂枝晶热引发聚合

锂金属电池用复合固态电解质的制备及性能研究

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锂金属电池用复合固态电解质的制备及性能研究

作者：陈慧湖南农业大学

学位级别：硕士

锂金属电池因其比容量高(3860 m A h g)、还原电位低(-3.04 V)等优势成为高能量密度电池体系研究的热点。使用有机液态电解液的锂金属电池由于锂枝晶生长易造成严重热失控,存在巨大安全隐患。无机/聚合物复合固体电解质的设计与开发为... 详细信息

锂金属电池因其比容量高(3860 m A h g)、还原电位低(-3.04 V)等优势成为高能量密度电池体系研究的热点。使用有机液态电解液的锂金属电池由于锂枝晶生长易造成严重热失控,存在巨大安全隐患。无机/聚合物复合固体电解质的设计与开发为解决金属锂电池安全性问题提供有效的解决策略。复合固体电解质不仅改善了无机固体电解质界面接触性差的问题,同时还提升了聚合物电解质的离子电导率。但目前复合电解质所使用的聚合物基底存在热稳定性低、成膜性和界面稳定性差的问题。针对以上问题,本论文对复合固体电解质中的聚合物基底与填料进行了功能化和定向的设计,主要内容如下:一、γ-氧化铝/聚合物复合电解质的设计及性能研究根据PVDF-HFP与PEGDMA的结构与化学特性设计了功能性聚合物基底,同时加入γ-AlO无机填料,制备出兼具(电)化学稳定性和热稳定性的复合电解质CPE-AlO。所设计的功能化聚合物基底表现出优异的离子电导率与界面兼容性,γ-AlO无机填料的引入不仅提升了复合电解质的热稳定性,而且进一步降低了电解质的结晶度,提高了聚合物的链段运动,为锂离子的传输提供更多通道。实验和模拟计算结果均表明复合固体电解质中Li具有较低的迁移能垒和活化能,分别为0.27 e V和0.22 e V。此外,复合固体电解质的离子电导率(2.77×10S cm)是纯聚合物电解质的三倍。复合固体电解质在锂对称电池循环测试中实现了510 h稳定性循环,说明其具有优异的界面兼容性且有效的抑制了锂枝晶的生长。Li||Li Fe PO在0.5 C电流密度下经过80次循环后容量保持率仍有85.2%,表现出良好的循环稳定性。二、纳米ZrO/聚合物复合电解质的设计及性能研究在功能化聚合物基底中引入高介电常数的ZrO无机填料,定向设计了高离子电导的复合固体电解质(CPE-ZrO)。理论计算结果表明高介电常数的ZrO与TFSI间的吸附能达1.389 e V,有效的限制了阴离子的移动,促进了Li的迁移。因此,CPE-ZrO展现出较高锂离子迁移数(0.42)。此外,CPE-ZrO在锂对称电池中经1200 h循环其过电位仅为96.0 m V,与金属锂负极表现出优异的界面相容性。循环后的锂负极表面形成了致密的SEI,无锂枝晶生长迹象。CPE-ZrO在Li||Li Fe PO固态电池测试中,以0.5 C电流密度经过150次循环后容量仍有145.4 m A h g,容量保持率为90.0%,显示出了巨大的实际应用潜力。三、LATP/聚合物复合电解质的设计及性能研究通过功能化聚合物基底与快离子导体LATP复合,设计了高界面稳定性和离子传输的复合固体电解质。实验和模拟计算结果表明锂离子在复合固体电解质中具有低的迁移能垒和活化能,分别为0.16 e V和0.15 e V,主要归因于快离子导体的引入,为Li提供了额外的传输通道。Li|CPE-LATP|Li对称电池可稳定循环440 h,最终过电位为60 m V,表明复合固体电解质与金属锂负极表现出高的界面稳定和可逆性。在Li|CPE-LATP|Li Fe PO固态电池测试中表现了优异的循环稳定性和倍率性能,在0.5 C电流密度下经150次循环后容量仍有146.2 m A h g,容量保持率为93.2%,平均库仑效率大于99.6%。在0.1、0.2、0.5和1 C的电流密度下,放电比容量分别为158.4、159.1、158.2和155.1 m A h g。对循环后的锂负极分析发现,锂负极表层SEI成分中具有较高含量的LiN和Li F,揭示了电池具有优异循环稳定性的原因。

关键词：固态锂金属电池纳米陶瓷颗粒复合固体电解质快离子导体离子电导率

原位光固化电解质膜的制备及其锂金属电池性能研究

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原位光固化电解质膜的制备及其锂金属电池性能研究

作者：周博茵江苏科技大学

学位级别：硕士

高能量密度和安全性能的复合固态电解质是全固态锂金属电池应用的关键。具有大孔隙率和高比表面积的三维沸石骨架材料(13X和ZIF-8)具有良好动力学和多样化结构等优势,在改善电池电化学性能和促进电池循环稳定性方面展现出较大的潜力。... 详细信息

高能量密度和安全性能的复合固态电解质是全固态锂金属电池应用的关键。具有大孔隙率和高比表面积的三维沸石骨架材料(13X和ZIF-8)具有良好动力学和多样化结构等优势,在改善电池电化学性能和促进电池循环稳定性方面展现出较大的潜力。针对目前固态锂金属电池难以攻克的锂枝晶生长、以及固态电解质与电极之间的界面接触等问题,将这类多孔材料分别灌入锂离子液体制得离子导体材料,再与聚合物溶液混合并进行光聚合反应,通过优化制备工艺获得了系列高性能复合固态电解质。本论文围绕复合固态电解质的材料设计和性能优化,探究了原位光固化和三维沸石结构的协同改性机理,开展了全固态锂金属电池的物性表征和电化学性能研究。具体研究内容如下:(1)通过锂离子液体(Li-IL)修饰锂化13X型分子筛(Li-13X)构建离子传输通路可以解决锂枝晶生长的问题。选择较大孔径和高比表面积的三维多孔笼状13X型分子筛进行锂化反应,在真空和高温条件下活化以去除孔洞杂质并激活不饱和位点,填充锂离子液体后得到Li-IL@Li-13X离子导体。锂化后的13X可以提供更多的锂离子传输通道,多孔结构作为离子传输通道增加了自由迁移的锂离子量并含有固体传输路径,具有丰富路易斯酸性位点的三维笼状Li-13X分子筛可以固定大尺寸的离子并促进锂盐解离。在离子导体中加入单体与光引发剂后,经紫外光照射引发光聚合反应,经固化后形成复合固态电解质。采用该电解质组装锂对称电池,在45℃、0.1 m A cm电流密度下可以稳定电镀-剥离1400小时,表明电解质拥有较高的电化学稳定性,具有抑制锂枝晶的能力。该工作为开发低成本、高稳定Li-IL@Li-13X基固态锂金属电池提供了思路。(2)大孔径、高比表面积的金属有机框架对构筑高性能固态电解质有积极效果。通过锂离子液体修饰ZIF-8纳米颗粒制备Li-IL@ZIF-8,将其与含光引发剂聚合物溶液混合后,再采用流延法、原位涂敷和紫外光照射获得复合固态电解质。ZIF-8晶体在活化后的表面暴露了大量不饱和金属位点,其内部的纳米孔能够吸收大量锂离子液体,促进锂盐在锂离子液体中的解离,并且降低聚合物基质的结晶度。该固态电解质在室温拥有6.53×10 S cm的高离子电导率,电化学窗口可以扩展至5.2 V,锂离子迁移数提高到0.38。在0.1 m A cm电流密度下能够稳定循环900小时,证明了该固态电解质与锂金属之间良好的兼容性,且具有抑制锂枝晶生长的能力,经原位固化后的复合固态电解质在0.5 C电流密度下循环320圈后的容量保持率高达88.16%。该工作为构筑高性能Li-IL@ZIF-8基固态锂金属电池提供了有效途径。(3)原位光固化与复合正极之间的协同作用是改善正极与固态电解质界面的可行之举。通过将不同比例Li-IL@ZIF-8混合到正极材料中制备复合Li Fe PO正极与复合NCM111正极,采用原位光固化技术将复合正极与Li-IL@ZIF-8基复合固态电解质进行一体化集成,实现正极-电解质界面的“超紧密连接(UTC)”。Li-IL@ZIF-8离子导体在正极内可以构建锂离子传输通路,而且作为增塑剂降低了固态电解质聚合物的结晶度,为固态电池在室温条件下工作创造有利条件。研究表明,由UTC电池构建的正极-电解质集成结构,原位工艺和离子液体优异润湿性协同优化了正极内部和界面的离子传输通路,减小了固态锂金属电池的内部阻抗。经匹配复合NCM111正极后的电池在0.5 C下显示出119.6 m Ah g的高初始放电容量,在450次循环后的容量保持率为96.7%,表现出优异的循环性能,同时在2 C的大电流密度下的放电比容量高达104m Ah g。该工作为实现固态锂金属电池中的正极-固态电解质集成一体化拓展了思路。

关键词：固态锂金属电池电解质膜原位光固化离子液体

锂金属电池用复合固体电解质及其界面研究进展

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硅酸盐学报 2021年第7期49卷 1263-1277页

作者：王国需刘洪梁宇皓王秉尧范丽珍北京科技大学新材料技术研究院北京100083

相比于液态锂电池,固态锂金属电池由于电解质不易燃、不挥发而具有更高的安全性。此外,固态电解质能够有效抑制锂枝晶的生长,使基于高能量密度的锂金属作为负极材料成为可能。但是,固态锂金属电池存在着界面阻抗大、固体电解质/电极兼... 详细信息

相比于液态锂电池,固态锂金属电池由于电解质不易燃、不挥发而具有更高的安全性。此外,固态电解质能够有效抑制锂枝晶的生长,使基于高能量密度的锂金属作为负极材料成为可能。但是,固态锂金属电池存在着界面阻抗大、固体电解质/电极兼容性差、电解质离子电导率低及电化学窗口较窄等问题。因此,开发高性能的柔性固体电解质对推动固态锂金属电池的发展起着重要作用。本工作总结了固态锂金属电池中聚合物与不同类型填料复合最新研究进展及复合固体电解质匹配电极材料时存在的界面阻抗大问题与解决策略。

关键词：固态锂金属电池复合固体电解质填料界面