北京大學深圳研究生院潘鋒教授Adv. Energy Mater,: 柔性電解質膜在固態鋰離子電池中的應用和制備

【引言】

全固態鋰離子電池與傳統鋰離子電池相比，由于其能量密度高，循環壽命長和安全性好，引起了全世界的關注。而作為全固態電池的關鍵部件，固體電解質已經被眾多研究人員進行了深入研究。固體電解液一般可分為的三種類型，即無機固體電解質（ISES），固體聚合物電解質（SPE）和復合固體電解質（CSES）。傳統的SPE在室溫下較低電導率，較窄電化學窗口。ISES則面臨脆性大，界面和晶界電阻等劣勢。與ISE和SPE相比，CSES不僅具備較大的柔性和良好的界面-電極接觸，而且在較低的溫度下也表現離子導電性。

【成果簡介】

目前而言，在大多數報道中CSES的無機物含量相對較低，而無機粒子大多數分散在膜上，缺乏與電極的接觸。近日，北京大學深圳研究生院潘鋒教授（通訊作者）在Advanced Energy Materials 上發文，題名“Flexible Composite Solid Electrolyte Facilitating Highly Stable “Soft Contacting” Li–Electrolyte Interface for Solid State Lithium-Ion Batteries”。在這項工作中，利用無機固體顆粒（Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3）與聚氧化乙烯（PEO）、硼化聚乙二醇（Group）組成的柔性復合固體電解質膜。由于該電解質膜具有致密無機鋰離子導電層，阻礙了鋰枝晶的自由生長；同時BPEG低聚物不僅降低了PEO的結晶度，從而具備良好的離子導電性，也有促進界面之間的“軟接觸”。在鋰金屬陽極上均勻沉積/剝離過程中減少了極化效應。

【圖文導讀】

圖1 電解質XRD, DSC, SEM相關表征

a. LATP, CSE‐B‐71515, CSE‐730, CSE‐71515和PEO的XRD譜圖。

b. 不同材料的DSC曲線。

c. CSE‐B‐71515膜的光學照片。

d-e. Li/CSE‐B‐71515/Li電池的SEM和EDS圖像。

示意圖1 合成反應過程

BPEG合成過程示意圖

圖2 不同材料的Arrhenius曲線

不同的CSE膜在30℃至90℃的Arrhenius曲線

圖3 BPEG（左）和PEG（右）的分子動力學模擬結果

具有相同分子質量的BPEG（左）和PEG（右）分子動力學模擬結果

示意圖2 在固態電解質中鋰離子傳輸和枝晶生長示意圖

a. 無無機顆粒

b. 緊密堆積的無機顆粒

圖4 不同電解質在恒電流下的循環表征

以恒電流0.2 mA/cm²在60℃下的循環

a. Li/CSE-B-71515/Li。

b. Li/CSE-730/Li。

c. Li/CSE-71515/Li。

d. Li/SPE-B-011/Li。

圖5 循環之后的形貌表征

a. Li/CSE-B-71515/Li在循環之后的SEM。

b. Li/CSE-730/Li

c. Li/CSE-71515/Li

d. 不同CSE電解質的阻抗圖

?示意圖3

不同CSE膜在鋰沉積和脫離的過程的作用

圖6 不同CSE膜的電化學性能表征

a. 載物量為0.502 mg/cm² LFP/CSE-B-71515/Li充放電圖

b. 三種電池在電流為0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C和2 C下的放電容量

c. 載物量為0.485 mg/cm² LFP/CSE-730/Li充放電圖

d. 載物量為0.533 mg/cm^2? LFP/CSE-71515/Li充放電圖

【小結】

該工作介紹了一種柔性固體電解質膜（CSE-B-71515）的制備和研究。作為膜的主體，致密的無機物不僅抑制了鋰枝晶生長，而且為鋰離子的轉移提供了通道。大分子顆粒結合PEO組成柔性膜形成的BPEG采用“軟接觸”增加了鋰金屬和膜間的接觸面積，因此進一步抑制了鋰枝晶生長。此外，在60℃測試了LFP／CSE-B-71515 /Li電池倍率性能，在0.1 C, 0.2 C, 0.5C, 1C和2C下的平均容量分別為158.2, 155.2, 139.6, 124.1和94.2 mA h/g。該電解質膜為制備新型柔性復合固體電解質提供了一種設計思路。

文章鏈接：Flexible Composite Solid Electrolyte Facilitating Highly Stable “Soft Contacting” Li–Electrolyte Interface for Solid State Lithium-Ion Batteries（Adv. Energy Mater. 2017, 10.1002/aenm.201701437）

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