王中林院士團隊Nano energy:混合電解質膜用于固態鋰離子電池

【引言】

?能源危機與環境污染日益嚴重，急需發展清潔和有效的能源儲存設備。在眾多的能源儲存設備中，鋰離子電池由于具有高的體積和質量能量密度而受到廣泛的關注。然而，目前基于插層材料的鋰離子電池不能滿足在長距離（例如大于300 km）運輸的要求，易燃的液態電解質存在著諸多的安全隱患。因此，具有高能量密度的、長期穩定性且安全的固相鋰離子電池的需求越來越大。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所孫春文教授、王中林院士（共同通訊）等人在Nano Energy上發表了一篇名為“A Durable and Safe Solid-State Lithium Battery with a Hybrid Electrolyte Membrane”的文章。研究人員首次利用基于Li₇La₃Zr₂O₁₂ 混合固態電解質來設計高性能的固相鋰離子電池，混合電解質膜由Li₇La₃Zr₂O₁₂ 和PVDF-HFP 聚合矩陣組成。基于混合電解質膜的固相鋰離子電池，在室溫下，充放電電流密度為0.5 C時擁有120 mA h g^-1的原始可逆放電容量，而且能高效地儲存高頻率輸出的脈沖能量。

【圖文導讀】

圖1.混合固態電解質膜的性質

a.20 μL液體電解質浸潤過與無浸潤的混合固態電解質膜溫度與離子傳導性的趨勢。

b.純PVDF-HFP電解質與混合固態電解質的線性掃描伏安圖的對比。

c.10 mV直流電壓后的i-t圖，用來評估鋰離子轉移數量。插圖為極化前后的電化學阻抗圖。

d.PVDF-HFP︱Li₇La₃Zr₂O₁₂混合固態電解質與純的PVDF-HFP電解質的TGA結果對比，說明電解質的穩定性。

圖2. LiFePO₄為正極，鋰金屬為負極測試混合固態電解質的性能

a.不同電流密度下，固態鋰電池的原始充放電曲線。

b.固態鋰離子電池在電壓范圍0-3.8 V下的比容量。

c.在0.5 C倍率下的長循環性能測試：放電容量和庫倫效率與循環次數的關系。

d.固態鋰離子電池在不同電流密度（0.05、0.1、0.2 mA cm^-2）下嵌鋰/脫鋰循環電壓圖。

圖3.固態鋰離子電池儲能性能表征

a.固態鋰離子電池儲存由摩擦納米發電機產生的脈沖能量的原理圖。

b.摩擦納米發電機在不同旋轉速度下的輸出電流。

c.摩擦納米發電機在不同旋轉速度下及40 μA時固態鋰離子電池的充放電曲線。

d.固態鋰離子電池在原始、30次循環及經摩擦納米發電機充電后的電化學阻抗圖譜。

【小結】

???? 本項研究工作展示了混合固態電解質膜的合成工藝，以及在電子傳導性、電化學窗口、熱穩定性等性能上得到了提升，達到了多需求的柔性固態鋰離子電池的要求。該固態鋰離子電池在倍率為0.5C時，循環180次后依然保持持110 mA h g^-1 的容量，而且混合固態電解質對柔性鋰離子電池至關重要。固態鋰離子電池可用于摩擦納米發電機的能量儲存，對于這種高頻率的脈沖輸出具有獨特的優勢。高穩定性且安全的固態鋰離子電池與摩擦納米發電機結合有望提供持續穩定的功率輸出。

【文獻鏈接】A Durable and Safe Solid-State Lithium Battery with a Hybrid Electrolyte Membrane（Nano Energy，2018，DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.01.028）

本文由材料人編輯部新人組雷航供稿，黃超審核。

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