PEO基聚合物电解质及其锂硫电池性能研究

锂硫电池由于具有高的理论比能量引起了广泛关注,然而传统液态锂硫电池由于多硫化物的“穿梭效应”以及安全问题而限制了其应用,全固态锂硫电池可显著提高电池安全性能并有望解决多硫化物的穿梭问题. 本文采用传统的溶液浇铸法制备了具有不同的[EO]/[Li⁺]的PEO-LiTFSI聚合物电解质,并将其应用于锂硫电池. 研究发现,虽然[EO]/[Li⁺] = 8的聚合物电解质具有更高的离子电导率,但是[EO]/[Li⁺] = 20的电解质与金属锂负极间的界面阻抗更低,界面稳定性更好. Li|PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)|Li对称电池在60 °C,电流密度为0.1 mA·cm^-2时可稳定循环超过300 h,而Li|PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)|Li对称电池循环75 h就出现了短路现象. 基于PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)电解质的锂硫电池首圈放电比容量为934 mAh·g^-1,循环16圈后放电比容量为917 mAh·g^-1以上. 而基于PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)电解质的锂硫电池,由于与锂负极较低的界面稳定性不能够正常循环,首圈就出现了严重过充现象.     

锂磷氧氮(LiPON)薄膜电解质和全固态薄膜锂电池研究

采用电子束热蒸发Li₃PO₄与氮等离子体辅助相结合的方法制备了含氮磷酸锂(LiPON)电解质薄膜,已测得该非晶态电解质薄膜在温度为300K时的离子导电率为6.0×10^-7 S/cm,电子电导率低于10^-10 S/cm,电化学稳定窗口为5.0V.以脉冲激光沉积法(PLD)制备的非晶态Ag_0.5V₂O₅薄膜为阴极,真空热蒸发法制备的金属锂为阳极,LiPON薄膜为电解质,成功地制备了一个新的Li/LiPON/Ag_0.5V₂O₅全固态薄膜锂电池.该电池以14μA/cm²电流充/放电时,首次放电容量达到62 μAh·cm^-2·μm^-1,10次循环后容量衰减缓慢,衰减率约为0.2%,循环寿命达到550次以上.     

全固态无负极锂金属电池纳米化复合集流体构筑

全固态无负极锂金属电池(AFSSLB)是一种通过初次充电形成金属锂负极的新型锂电池,它的负极与正极容量比为1,能使任意锂化正极系统达到最大能量密度。无机固态电解质的引入使无负极锂金属体系兼具高安全性。然而,电池循环过程中的锂离子通量不均导致的界面接触损失和锂枝晶生长会不断加剧,从而造成电池循环容量迅速衰减。本文构筑了纳米化的银碳复合集流体,显著增强了全固态无负极锂金属电池中集流体-电解质界面的性能。使用该集流体的固态电池循环过程中接触良好,界面阻抗为～10?·cm^-2。从而实现了超过7.0mAh·cm^-2锂金属的均匀稳定沉积,并在0.25mA·cm^-2的电流条件下实现循环200次以上。     

利用原位氟化保护层改善三维锡锂合金/碳纸负极贫电解液下性能

金属锂具有最高的理论比容量(3860 mAh·g^?1)和最低的还原电势(?3.04 V),是新型高能量密度电池负极材料的最佳选择之一。然而由于金属锂负极表面自发生成的固态电解质界面(SEI)十分不稳定,导致锂枝晶的产生和电池容量快速衰减,严重限制了锂金属电池的商业化应用。因此,本工作利用碳酸双(2,2,2-三氟乙基)酯(DTFEC)添加剂在三维锡锂合金/碳纸负极(SnLi/Cp)表面原位构筑了高机械强度和离子穿透性的含氟化物(LiF和SnF2)保护层,有效地改善了锂负极的倍率性能和循环稳定性。结果显示,SnLi/Cp对称电池在8 mA·cm^?2的电流密度下经过100次循环后过电位仅为90 mV。当将电解液降低到12μL(1.5μL·(mAh)?1)时,在5 mA·cm^?2的电流密度下对称电池仍具有优异的稳定性;SnLi/Cp||NMC811电池在1C(1.5 mA·cm^?2)条件下能稳定循环300圈以上,库伦效率高达98.1%。这种方法能够显著改善锂金属负极的循环稳定性,有助于实现高能量密度锂金属电池的实际应用。     

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.     

水溶液法原位构建ZnO亲锂层稳定锂-石榴石电解质界面

固态电池以其高安全性和高能量密度而备受关注。石榴石型固体电解质(LLZO)由于具有较高的离子导电性和对锂金属的稳定性,在固态电池中具有应用前景,但陶瓷与锂金属较差的界面接触会导致高的界面阻抗和可能形成的枝晶穿透。我们利用LLZO表层独特的H⁺/Li⁺交换反应,提出了一种简便有效的金属盐类水溶液诱发策略,在电解质表面原位构建ZnO亲锂层,界面处LiZn合金化实现紧密连续的接触。引入改性层后,界面阻抗可显著降低至约10Ω·cm²,对称电池能够在0.1mA·cm^-2的电流密度下实现长达1000h的长循环稳定性。匹配正极LiFePO₄(LFP)或LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂(NCM523)的准固态电池在室温下能够稳定循环100次以上。     

Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3基固体复合电解质的制备及锂离子导电行为

将聚氧化乙烯(PEO)和二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)混合(固定EO/Li摩尔比为13)后, 采用溶液浇注法制备了一系列不同Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃(LAGP)与PEO质量比的LAGP-PEO(LiTFSI)固体复合电解质体系. 结合电化学阻抗法、 表面形貌表征以及与惰性陶瓷填料(SiO₂, Al₂O₃) 性能的对比分析, 探讨了LAGP在固体复合电解质中的作用机理以及锂离子的导电行为. 结果表明, 在以LAGP为主相的固体复合电解质中, PEO主要处于无定形态, 整个体系主要为PEO与LiTFSI的络合相、 LAGP与PEO(LiTFSI)相互作用形成的过渡相和LAGP晶相. 其中LAGP作为主要的导电基体不仅起到降低PEO结晶度、 改善两相导电界面的作用; 同时自身也可以作为离子传输的通道, 降低锂离子迁移的活化能, 从而使离子电导率得到提高. 当LAGP与PEO的质量比为6:4时, 固体复合电解质的成膜性能最好, 离子电导率最高, 在30 ℃时为2.57×10^-5 S/cm, 接近LAGP的水平, 电化学稳定窗口超过5 V.     

基于局部高盐界面润湿策略构筑的固态金属锂软包电池

固态金属锂电池因其优异的安全性和高的理论能量密度被认为是最具前景的下一代储能电池体系之一。随着以硫化物为代表的高离子导率电解质被逐渐开发,金属锂与固态电解质界面成为限制固态电池应用的主要瓶颈。金属锂/电解质的固固界面存在着界面接触差、界面电荷传输阻力高等问题。本文以固态金属锂软包电池为研究对象,通过由1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、乙二醇二甲醚与双三氟磺酰亚胺锂组成的局部高盐液态电解液(HFE-DME LiTFSI)对金属锂/固态电解质界面进行润湿,增加金属锂与固态电解质之间的离子接触,降低离子传输阻力,从而提高锂离子在界面的传输能力。在30 mm×30 mm Li|Li4Ti5O12(LTO)固态软包电池中,通过3.0μL·cm^?2 HFE-DME LiTFSI局部高盐液态电解液润湿金属锂与固态电解质界面,软包电池的界面电阻从4366Ω·cm^?2降低到了64Ω·cm^?2。在0.1C与0.5C倍率下,LTO的放电比容量分别达到107与96 mAh·g^?1。同时,Li-S固态软包电池在0.01C及0.02C下,比容量也达到了1100与932 mAh·g^?1。     

Ni3S2@碳纳米管复合材料的制备及其储钠性能

采用一步固相煅烧工艺制备了碳纳米管原位封装Ni₃S₂纳米颗粒（Ni₃S₂@CNT）,并研究了其作为钠离子电池（SIBs）负极材料的电化学性能. 通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、循环伏安测试、恒流充放电以及交流阻抗等研究了Ni₃S₂@CNT的物相结构、形貌特征以及电化学性能. 电化学测试表明,材料在100 mA·g ^-1电流密度下,放电容量可以达到541.6 mAh·g ^-1,甚至在2000 mA·g ^-1的大电流密度下其放电比容量也可以维持在274.5 mAh·g ^-1. 另外,材料在100 mA·g ^-1电流密度下,经过120周充放电循环后其放电和充电比容量仍然可以保持在374.5 mAh·g ^-1和359.3 mAh·g ^-1,说明其具有良好倍率性能和循环稳定性能. 良好的电化学性能归因于这种独特的碳纳米管原位封装Ni₃S₂纳米颗粒结构. 碳纳米管不但可以提高复合材料的导电性,也可以缓冲Ni₃S₂纳米颗粒在反复充放电过程中产生的体积膨胀效应,明显改善了Ni₃S₂@CNT负极复合材料的电化学性能.     

锂金属负极界面修饰及其在硫化物全固态电池中的应用

随着我国新能源产业的快速发展,全固态电池由于其理论上的高能量密度和高安全性受到广泛关注,而硫化物全固态电池具有离子电导率高的优势成为目前的研发热点,但是金属锂负极的锂枝晶生长和与硫化物电解质之间的不稳定性严重阻碍了硫化物全固态电池的研发.本工作在高温150℃下制备了均匀的LiF界面层来抑制金属锂负极/硫化物电解质之间的界面反应和锂枝晶.LiF/Li之间具有较高的界面能,所以可以有效抑制锂枝晶的生长.LiNbO₂@LiCoO₂//Li₆PS₅Cl//LiF@Li (LNO@LCO//LPSCl//LiF@Li)全电池0.05 C, 0.1 C, 0.2 C和0.5 C倍率的正极放电克容量分别为138.4 mAh/g, 105.0 mAh/g, 80.3 mAh/g和60.4 mAh/g, 0.05 C循环50周后,正极容量保持率为80.2%.该方法为后续金属锂负极在全固态电池中的应用提供了新的方案.     

石榴石固体电解质Li3BO3界面改性研究

石榴石固体电解质由于其高的离子电导率,对锂金属稳定等优点成为了下一代高性能锂电池的重要研究方向之一.但锂金属负极界面浸润性与锂枝晶问题限制了其应用.本文通过简单的液相沉积结合高温烧结的方法,在石榴石固体电解质片表面构建了一层稳定的硼酸三锂(Li3BO3)修饰层.研究表明,Li3BO3 修饰层可以有效改善石榴石固体电解质...     

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.     

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.     

低成本硫化物固态电解质Li6-xPS5-xClx的制备与性能研究

硫化物固体电解质以其室温电导率高,热稳定性好,电化学窗口宽等特点,在高功率及室温固态电池方面优势突出,是极具潜力的固态电解质材料. 但制备其所需的高纯度Li₂S原料高昂的价格使其实际应用受到掣肘,故本文使用单质锂金属（99.9%）、升华硫、氯化锂和五硫化二磷等低成本原料,采用球磨法和高温热处理制备得到了Li_6-xPS_5-xCl_x（x = 0.5）固态电解质粉末,通过X射线衍射（XRD）、拉曼（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）对Li_6-xPS_5-xCl_x（x = 0.5）固态电解质进行了表征,并使用交流阻抗法测试了其电导率,电导率可达8.29×10 ^-4 S·cm ^-1,将Li_6-xPS_5-xCl_x（x = 0.5）固态电解质粉末进行冷压制片,制成Li对Li半电池后显示了良好的循环性能.     

Integrated lithium metal anode protected by composite solid electrolyte film enables stable quasi-solid-state lithium metal batteries

Lithium (Li) metal, possessing an extremely high theoretical specific capacity (3860 mAh/g) and the most negative electrode potential (−3.040 V vs. standard hydrogen electrode), is one the most favorable anode materials for future high-energy-density batteries. However, the poor cyclability and safety issues induced by extremely unstable interfaces of traditional liquid Li metal batteries have limited their practical applications. Herein, a quasi-solid battery is constructed to offer superior interfacial stability as well as excellent interfacial contact by the incorporation of Li@composite solid electrolyte integrated electrode and a limited amount of liquid electrolyte (7.5 μL/cm²). By combining the inorganic garnet Al-doped Li_6.75La₃Zr_1.75Ta_0.25O₁₂ (LLZO) with high mechanical strength and ionic conductivity and the organic ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) with good flexibility, the composite solid electrolyte film could provide sufficient ion channels, sustained interfacial contact and good mechanical stability at the anode side, which significantly alleviates the thermodynamic corrosion and safety problems induced by liquid electrolytes. This innovative and facile quasi-solid strategy is aimed to promote the intrinsic safety and stability of working Li metal anode, shedding light on the development of next-generation high-performance Li metal batteries.     

高性能硫化物基全固态锂电池设计：从实验室到实用化

全固态锂电池因其优异的安全性和高能量密度成为储能领域的重点研究内容。硫化物电解质因其高离子电导率、良好电极/电解质界面兼容性及易加工性,有力推动了硫化物基全固态锂电池的发展。本文首先从实验室研究阶段出发,从正极/电解质界面、硫化物电解质自身及负极/电解质界面三方面阐述了硫化物基全固态锂电池现阶段面临的主要问题,并介绍了相关的解决策略。随后从硫化物基全固态锂电池的实用化生产角度出发,介绍了电极/电解质膜的制膜工艺、软包电池的装配相关问题、高载正极的设计及硫化物电解质的大规模、低成本制备。最后展望了硫化物基全固态锂电池的未来研究方向和发展趋势。