以LiCoO2为阴极的全固态薄膜锂电池的研究

Amorphous and oriented polycrystalline LiCoO2 thin films, used as cathode material for an all-solid-state thin film battery, were fabricated by using RF magnetron sputtering and annealed at different temperatures. The morphology and structure of LiCoO2 thin films were characterized by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. All-solid-state thin film batteries, comprised of LiCoO2 cathode films with different structures, lithium phosphorous oxynitride electrolyte film and metallic lithium anode film, was successfully prepared and their properties were examined by chronopotentiometry. Results showed that the structure and crystallinity of the LiCoO2 films strongly influenced the electrochemical performance of all-solid-state thin film lithium batteries. Worth nothing was the battery with an oriented polycrystalline LiCoO2 film it exhibited the best electrochemical performance, and delivered a discharge capacity of ～55.4 μAh/cm2μm. Furthermore, when subjected to over 450 charge/discharge cycles, that battery suffered no obvious fode in capacity.     

锂电池用全固态聚合物电解质

随着储能电源和电子产品以及电动汽车的迅速发展,开发高能量密度的锂离子电池已经成为现阶段研究的重点方向之一。目前,较广泛使用的液态锂离子电池,由于容易发生有机液态电解质的泄漏、燃烧、爆炸和短路等问题,存在非常大的安全隐患。因此,迫切需要开发能量密度更高,安全性更加好的锂离子电池。与现有的有机液态电解质相比,全固态聚合物电解质(All-solid-state polymer electrolyte,ASPE)具有理论比容量更高、结构可设计性强、易于大规模生产制造、排除了泄漏液体等体系安全性能好的优点,是一类具有广泛应用前景的电解质。ASPEs在锂离子电池中起到了主导作用,研究者们对其进行了大量的科研工作。本文结合并比较了典型的ASPEs(聚醚、聚酯、聚氨酯、聚硅氧烷)的最新科研进展以及本课题组的工作,回顾了这几种固态聚合物的发展,对高性能锂电池全固态电解质的制备设计、新型锂电池、界面调控和制备工艺成型等方面作了阐述,并对其未来的研究做出展望。     

全固态薄膜锂/锂离子电池的研究进展

本文介绍了全固态薄膜锂/锂离子电池发展;对全固态薄膜锂/锂离子电池最近的研究进展进行了综述分析,并指出了今后研究的方向。     

含氮磷酸锂薄膜在空气中的稳定性

利用射频(RF)磁控溅射方法制备了含氮磷酸锂(LiPON)薄膜. 采用SEM、XRD、XPS等技术以及交流阻抗法和电位线性扫描法, 研究了空气湿度对LiPON薄膜形貌、组成和性能的影响. 结果表明, LiPON薄膜在湿度为40%的空气环境中放置24 h后, 将发生明显的水解反应, 使LiPON薄膜表面形貌变得疏松、局部突起; PH3和NH3的产生, 使薄膜中磷元素和氮元素含量减少, 而Li2CO3的生成, 则使薄膜中碳元素和氧元素含量有明显的增加. LiPON电解质薄膜形貌和组成的变化, 造成了薄膜电化学性能的严重恶化.     

LiBPON薄膜电解质的制备及电化学性能研究

应用磁控溅射法在N2气氛中制备LiBPON薄膜电解质,研究薄膜性能与沉积条件的关系,优化其制备条件.扫描电镜图显示其表面平整均匀致密,X射线衍射及交流阻抗测试分别表明该薄膜呈非晶态,室温离子电导率随溅射功率增大而减小,随N2压力增大而增大,最高达3.5×10-6S/cm;薄膜的沉积速率随溅射功率增大而增大,随N2压力增大而减小.N的结合对电解质的电化学性能有明显改善,作为薄膜锂电池电解质有良好的应用前景.     

固态锂电池中金属锂负极与固体电解质界面的关键挑战

随着新能源汽车的快速发展,车用锂电池的安全性能备受关注。不同于传统锂离子电池采用可燃有机液体电解液,固态锂电池采用无机类固体电解质,具有不可燃、不漏液、高安全、长寿命等一系列优点。此外,固体电解质可兼容高容量金属锂负极,进而实现高能量密度(300 Wh/kg)。然而,由于固体电解质缺乏流动性,其与金属锂负极的界面问题已经成为制约固态锂电池发展的瓶颈。本文简要讨论了金属锂负极与固体电解质界面所存在的几项关键挑战:(1)界面润湿;(2)枝晶生长;(3)金属锂的利用率等问题,并介绍了针对这几项关键问题的近期研究进展。     

锂电池中的凝胶聚合物电解质

锂电池目前在人们生活中已经得到广泛应用,但是传统的液体电解质沸点低且易泄漏,容易引起锂枝晶生长和安全问题。凝胶聚合物电解质(GPEs)的状态介于液态电解质和固态电解质之间,不仅可以作为电解质,还可以作为隔膜,这样可以减少液体电解质的泄漏以及改善固体电解质的界面电阻。本文综述了锂电池中制备不同类型的GPEs的方法,如溶液浇铸法、相转化法、原位聚合法、UV(紫外)固化法和静电纺丝法等,重点总结了不同纤维基的GPEs(聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共六氟丙烯)(PVDF- HFP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)和聚间亚苯基间苯二甲酰胺(PMIA))在锂电池中的运用,并通过对不同基质的改性来改善电解质的离子电导率,阻碍锂枝晶的生长。最后,本文对锂电池中GPEs的未来发展前景进行了展望,讨论和提出的策略将为今后高性能锂电池的实际应用提供更多的途径。     

全固态锂离子电池的研究及产业化前景

全固态锂离子电池具有安全性能高、能量密度大、工作温度区间广等优点, 是锂离子电池领域的研究热点. 固体电解质的开发是全固态锂离子电池实现应用的先决条件, 目前国内外研究比较广泛、应用前景较好的固体电解质主要有聚氧乙烯及其衍生物体系的聚合物电解质、LiPON薄膜电解质以及玻璃态硫化物体系的无机电解质三种. 近两年,在固体电解质的研究已取得很大进展的基础上, 人们正在将研究重点转向全固态电池结构设计及生产技术上, 并不断有样品电池面世. 本文从固体电解质的发展历史、最新研究进展、电池生产技术以及产业化应用前景这几个方面, 分别对以上三种体系的电解质及其电池进行综述, 以探索全固态锂离子电池的商品化前景.     

锂负极失效的全固态薄膜锂电池的直接回收再利用

作为微电子器件的理想电源,全固态薄膜锂电池(TFB)已经被广泛地研究了几十年,并开始进入商业化应用。然而,目前关于失效TFB的回收与再利用的研究几乎没有,这将会阻碍TFB的可持续发展。本工作针对因金属锂负极失效而造成电池失效的TFB,提出了一种简单的基于最常见LiCoO₂ (LCO)/LiPON/Li TFB (F-TFB)的直接回收再利用的方法。研究发现,F-TFB中的金属锂负极薄膜在循环过程会被部分氧化从而造成电池失效。我们提出利用无水乙醇溶液有效地溶解并去除F-TFB上失效的金属锂负极部分,从而快速地回收底层的LCO/LiPON薄膜。结构分析和表面分析结果表明,回收的LCO/LiPON薄膜中的LCO正极的晶体结构、LCO/LiPON的界面结构以及LiPON电解质的表面保持完好,使其再利用成为了可能。进一步地,我们在回收的LCO/LiPON薄膜上依次沉积了LiPON和Li薄膜,构建得到了电化学性能恢复的LCO/LiPON/Li TFB,并获得了与新制备的TFB相一致的比容量(0.223 mAh∙cm⁻²)、良好的倍率性能和循环寿命(500次循环后容量保持率为77.3%)。这种简单而有效的回收再利用方法有望延长固态电池的使用寿命,减少能源和资源消耗,促进固态电池的可持续发展。     

锂离子电池固态电解质的研究进展

和传统电解液相比,固态电解质热稳定性好,电位窗高,力学性能好且对环境友好;更重要地,由固态电解质组成的锂离子电池能量密度比传统锂离子电池更高,因而成为当前研究的热点。综述了几种主要固态电解质,包括无机固体电解质、固态聚合物电解质、凝胶电解质及复合型电解质的优势、研究进展以及面临的问题,并展望了未来固态电解质的发展趋势。     

锂硫电池电解质研究进展

锂硫电池由于其高能量密度(理论高达2600 Wh/kg)、低成本、环境友好等优点而广受关注. 但是锂硫电池仍存在正极活性物质利用率低、循环性能差等问题. 造成这些问题的主要原因是易溶于有机电解液的中间产物聚硫锂Li₂S_n (4≤n≤8)和不溶于有机电解液的硫化锂造成的. 简要介绍了锂硫电池体系的主要问题,并结合本研究小组的研究,对锂硫电池用电解质体系从有机电解液组成、电解液添加剂、聚合物电解质和无机固体电解质等方面进行了详细的综述,最后对电解质的发展前景进行了展望.     

Challenges and Development of Composite Solid Electrolytes for All-solid-state Lithium Batteries

All-solid-state lithium batteries are considered to be a new battery system with great development potential and application prospects due to the advantages of high energy density and high security.As a key component of all-solid-state lithium batteries,the development of solid-state electrolytes has received extensive attention in recent years,but most solid electrolytes still exhibit problems,such as low ion conductivity and poor interface compatibility.The design of composite solid-state electrolyte materials with both excellent electrochemical and mechanical properties is an effective way to develop all-solid-state lithium batteries.This review introduces different types of pure component solid electrolytes and analyzes their respective advantages and characteristics firstly.Furthermore,the research progress of composite electrolytes in preparation method,ionic conduction,suppression of lithium dendrites,and the improvement of electrochemical performances are reviewed from the perspective of composite electrolyte structure design,which is to meet different performance requirements.And the future development direction and trend of composite electrolytes are prospected.     

聚合物固态锂电池电解质/负极界面

动力电池领域对锂二次电池的能量密度和安全性提出了更高要求,研究高能量密度固态锂电池对发展新能源产业具有重要意义。相比传统的有机电解液锂离子电池,采用聚合物固体电解质的聚合物固态锂电池不但具有明显提升的安全性,而且能够匹配高容量电极材料,实现能量密度的有效提升。聚合物固态锂电池是最有前景的锂二次电池之一,然而聚合物固体电解质与锂负极间仍存在严重的界面副反应、锂负极表面易生长枝晶等问题。近年来,通过电解质成分调控、电解质力学性能提升、电解质/锂负极界面调控和匹配三维锂负极等手段,聚合物基固态锂电池性能明显提升。基于此,本文介绍了常见的聚合物固体电解质及其与锂负极间的界面挑战,从添加无机填料、使用高强度基底膜、分级层状结构设计、构筑界面缓冲层、交联网络设计以及固态锂负极保护等几个方面综述了提升聚合物基电解质/锂负极界面稳定性的最新研究成果,最后对解决聚合物固体电解质/锂负极界面兼容性的研发方向和发展趋势进行了展望。     

增塑剂对聚合物电解质锂离子电池性能的影响

锂电子;碳纤维;增塑剂对聚合物电解质锂离子电池性能的影响     

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.