锂单离子导电固态聚合物电解质

锂单离子导电固态聚合物电解质是一类锂离子迁移数接近1的锂离子导体,可以有效避免阴离子移动产生浓差极化,从而提高锂电池的容量以及循环性能,成为近年来固态聚合物电解质的研究热点。本文综述了锂单离子导电固态聚合物电解质的研究进展,重点关注了电导率和锂离子迁移数较高的体系,并简要评述了锂单离子导电固态聚合物电解质所面临的挑战以及发展前景。     

聚丙烯腈在锂金属电池电解质中的应用

随着便携式电子设备、电动汽车和智能电网等快速发展，人们对高能量密度锂金属电池的关注日益增多。锂金属表面不均匀的剥落或沉积会导致锂枝晶生长，锂枝晶容易刺穿隔膜，存在引发电池短路的风险，而且高反应活性的锂金属会与电解液不断反应被消耗，生成不稳定的固体电解质界面（SEI）膜，造成不可逆的容量损失，因此兼顾高能量密度与高安全性是锂金属电池发展应用中亟需解决的关键科学问题。具有强吸电子基团（C≡N）的聚丙烯腈（PAN）聚合物与碳酸酯溶剂中C=O的相互作用能形成更稳定的SEI膜，PAN作为锂负极涂层还能抑制锂枝晶的生长；另外，PAN具有较低的最低未占据分子轨道、较高的电化学稳定性和较宽的电化学窗口，能作为锂金属电池的聚合物电解质，并匹配高电压正极，兼具高能量密度和高安全性，故PAN聚合物在锂金属电池的电解质中有着很大的应用潜力。本文从电解质的不同状态（液态、凝胶、固态）介绍了PAN聚合物在液态电解质中作为隔膜、锂负极保护层以及在凝胶电解质、固态电解质的最新研究成果，并对PAN聚合物在锂金属电池电解质中的发展趋势进行展望。     

Li-SGO掺杂半互穿网络型多孔单离子传导聚合物复合电解质的制备

本文成功制备了磺酸锂功能化石墨烯,通过原位聚合方式成功将其添加到单离子传导聚合物电解质中制备出磺酸锂功能化石墨烯改性半互穿网络型多孔单离子传导聚合物复合电解质。与未掺杂磺酸锂功能化石墨烯半互穿网络型多孔单离子传导聚合物电解质相比,该电解质具有更高的孔隙率、吸液率、机械拉伸强度和离子电导率。电化学测试结果表明,掺杂磺酸锂功能化石墨烯后,单离子传导聚合物电解质表现出与电极界面更好的相容性,组装的Li|LiFePO₄锂离子电池表现出良好的循环性能和更高的倍率性能。对氧化石墨烯磺酸锂功能化可应用于对单离子传导聚合物电解质的改性,有助于提升单离子传导聚合物电解质的综合性能,获得更高的电池性能。     

功能化固态电解质膜改性锂金属负极的研究进展

对高比能量锂离子电池需求的不断增加激发了锂金属负极的应用研究。锂金属具有高放电比容量(3860 mAh·g^?1),低电极电位(?3.04 V),是锂离子电池的理想负极材料。然而,锂金属在循环过程中会形成不稳定的固态电解质(SEI)膜,而且会生成枝晶,枝晶的生长会引发电池短路等安全问题,极大地阻碍了其应用。理想的SEI膜应具有良好的锂离子传导性、表面电子绝缘性和机械强度,可调控锂离子在表面均匀沉积,促进离子传输,抑制枝晶生长,因此构筑功能化SEI膜是解决锂金属负极所面临挑战的一项有效策略。本综述以锂金属枝晶形成和生长的机理为出发点,分析总结SEI膜的构建策略、不同组成SEI膜的结构和功能特性及其对锂金属负极性能的影响,并对锂金属实用化面临的挑战及未来发展方向进行了展望。     

锂金属负极的挑战与改善策略研究进展

锂金属由于其高比容量和低电极电势等优点被认为是下一代高比能量电池体系中最有潜力的负极材料。然而由于锂金属的高活性,锂负极在循环过程中会产生大量的枝晶,导致SEI(solid-electrolyte interphase)破裂,并且枝晶增加了电极与电解液的接触面积,使得副反应进一步增加。此外,脱落的枝晶形成死锂,从而降低电池的充放电库仑效率。并且不可控的锂枝晶持续生长会刺穿隔膜引发电池短路,伴随着电池热失控等安全问题。本综述基于锂负极存在的主要挑战,结合理解锂枝晶的成核生长模型等机理总结并深度分析近些年来在液态和固态电解质体系中改善锂金属负极的主要策略及其作用机理,为促进高比能量锂金属电池的应用提供借鉴参考作用。     

锂金属负极人造保护膜的研究进展

金属锂因其具有极高的理论容量(3860 mAh·g^?1)、最低的电极电位(?3.04 V vs.标准氢电极)和低的密度(0.534 g·cm^?3),被认为是最具潜力的负极材料。但循环过程中不可控的枝晶生长及不稳定的固体电解质相界面膜所引起的安全隐患和电池库伦效率低等问题严重阻碍了锂金属负极的发展。通过在电极表面构建人造保护膜可以有效调控锂离子沉积行为,因此人造保护膜的构建是一种简单高效抑制锂枝晶生长的策略。本综述将从聚合物保护膜、无机保护膜、有机-无机复合保护膜和合金保护膜总结了人造保护膜的构建方法、抑制锂枝晶生长机理,为促进高比能锂金属电池的商业化应用提供借鉴参考作用。     

金属锂电池的热失控与安全性研究进展

锂离子电池在便携式储能器件及电动汽车领域得到了广泛应用,然而频繁发生的电池起火爆炸事故,使热失控和热安全问题备受人们关注,目前已有多篇综述报道了缓解锂离子电池热失控的措施。相比于已经接近理论比能极限的锂离子电池,金属锂负极具有更高的比容量、更低的电势和高反应活性,但是不可控的锂枝晶生长,使得金属锂电池的热失控问题更为复杂和严重。针对金属锂电池的热失控问题,本文首先介绍了热失控的诱因及基本过程和阶段,其次从材料层面综述了提高电池热安全性的多种策略,包括使用阻燃性电解质、离子液体电解质、高浓电解质和局域高浓电解质等不易燃液态电解质体系,开发高热稳定性隔膜、热响应隔膜、阻燃性隔膜和具有枝晶检测预警与枝晶消除功能的新型智能隔膜,以及研究热响应聚合物电解质,最后对金属锂电池热失控在未来的进一步研究进行了展望。     

固态锂硫电池研究进展（英文）

固态锂硫电池具有高能量密度和高安全性的潜在优势,被认为是最有前景的下一代储能体系之一。虽然固态电解质的应用有效地抑制了传统锂硫电池存在的“穿梭效应”和自放电现象,固态锂硫电池仍面临着多相离子/电子输运、电极/电解质界面稳定性、化学-机械稳定性、电极结构稳定性和锂枝晶生长等关键问题亟待解决。针对以上问题,本综述对近年来固态电解质、硫基复合正极、锂金属及锂合金负极以及电极/电解质界面的研究进行了详细的论述。作为固态锂硫电池的重要组成部分,固态电解质近年来受到了研究者们的广泛关注。本文首先对在锂硫电池中得到广泛应用的聚合物基、氧化物基、硫化物基固态电解质的种类和性质进行了概述,并对其在固态锂硫电池中的最新应用进行了系统的总结。在此基础上,对以单质硫、硫化锂、金属硫化物为活性物质的复合硫正极、锂金属及锂合金负极的反应机理以及面临的挑战进行了归纳和比较,对其解决策略进行了总结和分析。此外,对制约固态锂硫电池性能的电极/电解质界面离子/电子输运以及界面相容性问题及其改性策略进行了系统的阐述。最后,对固态锂硫电池的未来发展进行了展望。     

固态聚合物电解质的锂离子传导机理与研究进展

锂离子电池(lithiumionbatteries,LIBs)在储能领域已取得了巨大的成功.然而,商用LIBs含有高挥发性易燃有机电解液,使其存在严重的安全隐患.固态聚合物电解质具有解决相应安全性问题的潜力,有望成为下一代高安全性全固态LIBs的电解质材料.然而,固态聚合物电解质存在离子电导率不高等问题,限制了其在固态LIBs中的实际应用.研究者们为了提高该类电解质的离子电导率、锂离子迁移数等综合电化学性能,已在寻找新锂盐、对聚合物进行改性以及向聚合物电解质中添加填料等方面进行了较多的研究.本文简要概述了固态聚合物电解质的锂离子传导机理以及在提高固态聚合物电解质综合电化学性能方面的研究进展.     

固体电解质界面层锂合金相的高通量筛选与界面离子输运研究

固体电解质界面层(SEI)对锂离子电池的电化学性能有着重要影响,理想的SEI层应同时具备良好的电子绝缘性、较高的离子电导率,以及一定的界面机械强度来承受锂沉积/剥离行为所伴随的体积变化和抑制锂枝晶形成。构筑LiF基人工SEI层已被证明是保护固态锂离子电池负极界面的有效策略。本工作通过材料数据库挖掘技术、高通量第一性原理计算和从头算分子动力学模拟对若干锂合金进行相图计算、扩散能垒计算,以评估其热力学稳定性和锂离子扩散能力,最终筛选出27种可用于LiF基人工SEI层锂离子导电相的锂合金材料。同时,对若干锂合金的晶体结构-扩散性质进行构效关系分析发现,锂合金晶体结构类型对锂离子扩散能力的影响比其元素组分更加显著,即■族群结构的锂合金具备非常优异的锂离子输运性能,而■族群结构的锂合金扩散通道狭窄,锂离子输运性能差。此外,本计算工作发现锂离子在LiF晶体中扩散迁移是极其困难的,而在LiF晶界和LiF/LiM合金界面迁移扩散阻力极小,藉此获得人工SEI界面层中锂离子输运的物理图像。     

热塑性聚氨酯基聚合物电解质的制备与表征

采用非溶剂诱导相转化法（NIPS）制备了热塑性聚氨酯/醋酸纤维素（TPU/CA）新型聚合物隔膜。然后,将隔膜浸入液体电解质中得到TPU/CA凝胶聚合物电解质（GPEs）。研究TPU与CA的质量比对GPEs性能的影响。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、热重（TG）、差示扫描量热（DSC）、线性扫描伏安（LSV）、电化学阻抗（EIS）等对TPU/CA膜进行表征。结果表明,在共混隔膜中引入CA可以降低TPU的结晶度,增加隔膜的吸液率。其中,室温下TPU/CA = 7/3基电解质的离子电导率为1.04 mS·cm^-1,电化学窗口为5.1 V(vs. Li/Li⁺)。组装的电池LiFePO₄/TPU/CA/Li在0.5 C循环100次后,仍具有较高的放电比容量和较好的容量保持率,具有良好的循环稳定性。这些结果表明,这种新型的TPU/CA共混GPEs是锂离子电池的理想选择。     

一种双锂盐梳状聚合物电解质的制备及电化学性能

将聚乙二醇单甲醚(MPEG)接枝在聚(异丁烯-alt-马来酸酐)(PIAMA)上合成梳状锂单离子导体PIAMA-g-MPEG, 并与双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)复合制成双锂盐梳状聚合物电解质薄膜. 用核磁共振波谱 (¹H NMR)、 热重分析(TG)、 扫描电子显微镜(SEM)、 电化学阻抗(EIS)和电池充放电测试等方法对聚合物基体和电解质的物化性质和电化学性能进行了研究.结果表明, 设计的双锂盐梳状聚合物电解质能够有效解离并传输锂离子, 70 ℃下离子迁移数(t_Li⁺)为0.32, 离子电导率(σ)为1.5×10^-4 S/cm, 电化学稳定窗口为0~4.9 V (vs. Li/Li⁺). 组装Li|PIAMA-g-MPEG|Li电池并进行70 ℃恒电流充放电电压极化测试, 结果表明, 电解质与金属锂负极兼容性较好, 能够有效抑制锂枝晶的生长.组装LiFePO₄|PIAMA-g-MPEG|Li电池进行70 ℃长循环及倍率性能测试, 电解质表现出了优异的高温性能.     

Ultraviolet-Cured Semi-Interpenetrating Network Polymer Electrolytes for High-Performance Quasi-Solid-State Lithium Metal Batteries

Solid polymer electrolytes with relatively low ionic conductivity at room temperature and poor mechanical strength greatly restrict their practical applications. Herein, we design semi-interpenetrating network polymer (SNP) electrolyte composed of an ultraviolet-crosslinked polymer network (ethoxylated trimethylolpropane triacrylate), linear polymer chains (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) and lithium salt solution to satisfy the demand of high ionic conductivity, good mechanical flexibility, and electrochemical stability for lithium metal batteries. The semi-interpenetrating network has a pivotal effect in improving chain relaxation, facilitating the local segmental motion of polymer chains and reducing the polymer crystallinity. Thanks to these advantages, the SNP electrolyte shows a high ionic conductivity (1.12 mS cm⁻¹ at 30 °C), wide electrochemical stability window (4.6 V vs. Li⁺/Li), good bendability and shape versatility. The promoted ion transport combined with suppressed impedance growth during cycling contribute to good cell performance. The assembled quasi-solid-state lithium metal batteries (LiFePO₄/SNP/Li) exhibit good cycling stability and rate capability at room temperature.     

Stable Conversion Chemistry‐Based Lithium Metal Batteries Enabled by Hierarchical Multifunctional Polymer Electrolytes with Near‐Single Ion Conduction

The low Coulombic efficiency and serious safety issues resulting from uncontrollable dendrite growth have severely impeded the practical applications of lithium (Li) metal anodes. Herein we report a stable quasi‐solid‐state Li metal battery by employing a hierarchical multifunctional polymer electrolyte (HMPE). This hybrid electrolyte was fabricated via in situ copolymerizing lithium 1‐[3‐(methacryloyloxy)propylsulfonyl]‐1‐(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiMTFSI) and pentaerythritol tetraacrylate (PETEA) monomers in traditional liquid electrolyte, which is absorbed in a poly(3,3‐dimethylacrylic acid lithium) (PDAALi)‐coated glass fiber membrane. The well‐designed HMPE simultaneously exhibits high ionic conductivity (2.24×10^?3 S cm^?1 at 25 °C), near‐single ion conducting behavior (Li ion transference number of 0.75), good mechanical strength and remarkable suppression for Li dendrite growth. More intriguingly, the cation permselective HMPE efficiently prevents the migration of negatively charged iodine (I) species, which provides the as‐developed Li‐I batteries with high capacity and long cycling stability.     

Self-Repairable and Flexible Polymer Network Electrolyte with Enhanced Lithium-Ion Conduction for Lithium Metal Batteries

Developing high-performance functional polymer-based electrolytes is important for realizing next generation safe lithium metal batteries. In this study, a new type of quasi-solid polymer network electrolyte (SIPH-x-y%) was prepared by combining synthesized polymer network (SIPH) containing urethane bond linked ionic liquids (ILs), polyethylene glycol (PEG), and disulfide bond moieties, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide salt (LiTFSI), and glyme type additive. It was found that SIPH-20-40% was mechanically flexible, self-healable, and showed high ionic conductivity of 2.67×10⁻⁴ S cm⁻¹. Also, SIPH-20-40% possesses a high lithium ion transference number of 0.43 and good electrochemical stability. These properties enabled the SIPH-20-40% electrolyte membrane to support Li/Li symmetrical cell to cycle stably during long term Li plating and stripping. The Li/SIPH-20-40%/LFP showed high delivered specific capacity and good stability (166.1 mAh g⁻¹ after 106 cycles at 0.2 C). Such glyme doped polymer network electrolyte provides new experimental findings for developing polymer-based electrolyte with excellent mechanical integrity and battery related properties.     

PEO-LiClO4-ZSM5复合聚合物电解质 I. 电化学研究

首次以“择形”分子筛ZSM5为填料, 通过溶液浇铸法制得PEO-LiClO₄-ZSM5全固态复合聚合物电解质(CPE)膜. 交流阻抗实验表明ZSM5的引入可以显著地提高CPE的离子电导率. 利用交流阻抗-稳态电流相结合的方法对CPE的锂离子迁移数进行了测定, 结果表明掺入ZSM5后锂离子迁移数明显升高. ZSM5的含量为10%时, CPE同时具有最高离子电导率1.4×10^－5 S•cm^－1(25 ℃)和最大锂离子迁移数0.353. PEO-LiClO₄-ZSM5/Li电极界面稳定性实验表明PEO-LiClO₄-ZSM5复合聚合物电解质在全固态锂离子电池领域具有良好的应用前景.     

Asymmetric double-layer composite electrolyte with enhanced ionic conductivity and interface stability for all-solid-state lithium metal batteries

All-solid-state Li metal battery has been regarded as a promising battery technology due to its high energy density based on the high capacity of lithium metal anode and high safety based on the all solid state electrolyte without inflammable solvent.However,challenges still exist mainly in the poor contact and unstable interface between electrolyte and electrodes.Herein,we demonstrate an asymmetric design of the composite polymer electrolyte with two different layers to overcome the interface issues at both the cathode and the anode side simultaneously.At the cathode side,the polypropylene carbonate layer has enough viscosity and flexibility to reduce the inter-facial resistance,while at the Li anode side,the polyethylene oxide layer modified with hexagonal boron nitride has high mechanical strength to suppress the Li dendrite growth.Owing to the synergetic effect between different components,the asprepared double layer composite polymer electrolyte demonstrates a large electrochemical window of5.17 V,a high ionic conductivity of 6.1×10~(-4) S/cm,and a transfe rence number of 0.56,featuring excellent ion transport kinetics and good chemical stability.All-solid-state Li metal battery assembled with LiFePO_4 cathode and Li anode delivers a high capacity of 150.9 mAh/g at 25℃ and 0.1 C-rate,showing great potential for practical applications.     

用于锂离子电池聚合物电解质的组成、结构和性能

聚合物电解质是全固态锂离子电池的重要组成部分, 其电导率对电池的性能有很重要的影响.本文综述了聚合物电解质的组成、结构和性能对锂 离子电池导电率影响的最新研究进展,特别是介绍了聚合物-碱金属盐复合电解质和聚离子体电解质两个体系的研究进展.     

Dense Sphene-type Solid Electrolyte Through Rapid Sintering for Solid-state Lithium Metal Battery

The sphene-type solid electrolyte with high ionic conductivity has been designed for solid-state lithium metal battery. However, the practical applications of solid electrolytes are still suffered by the low relative density and long sintering time of tens of hours with large energy consumption. Here, we introduced the spark plasma sintering technology for fabricating the sphene-type Li_1.125Ta_0.875Zr_0.125SiO₅ solid electrolyte. The dense electrolyte pellet with high relative density of ca. 97.4% and ionic conductivity of ca. 1.44×10^-5 S/cm at 30℃ can be obtained by spark plasma sintering process within the extremely short time of only ca. 0.1 h. Also the solid electrolyte provides stable electrochemical window of ca. 6.0 V(vs. Li⁺/Li) and high electrochemical interface stability toward Li metal anode. With the enhanced interfacial contacts between electrodes and electrolyte pellet by the in-situ formed polymer electrolyte, the solid-state lithium metal battery with LiFePO₄ cathode can deliver the initial discharge capacity of ca. 154 mA·h/g at 0.1 C and the reversible capacity of ca. 132 mA·h/g after 70 cycles with high Coulombic efficiency of 99.5% at 55℃. Therefore, this study demonstrates a rapid and energy efficient sintering strategy for fabricating the solid electrolyte with dense structure and high ionic conductivity that can be practically applied in solid-state lithium metal batteries with high energy densities and safeties.