北大深圳研究院潘鋒Nano Energy：固態電池中，MOF即離子導體促進界面Li+傳輸

Materials_1219 5年前 (2018-05-09) 6604瀏覽

【引言】

鋰離子電池是目前研究和應用較廣的綠色儲能材料。但是目前關于鋰離子電池的安全性、容量的大小和儲能機制的研究，還不完善。固態電池能夠解決鋰離子電池在應用過程中，面臨的一部分安全問題。然而，固態電池中的電導率問題一直困擾著其發展。主要原因是固態顆粒之間的離子電導率低，界面電阻較高，顯著影響了固態電池的發展和應用。本文找到了一種新的、電化學穩定的MOF離子導體，極大的提高了固態電池的離子傳輸性能。

【成果簡介】

近日，中國北京大學深圳研究院的潘鋒（通訊作者）教授團隊，發現固態電池（SSBs）的界面阻力與不穩定固體接觸有關。離子導體能夠提高SSBs界面Li+的傳輸性性能。離子導體通過離子液體（Li-IL）浸潤多孔MOF主體。固態電解質（SSE）和Li7La3Zr2O12（LLZO）結合，客體Li-IL離子可以通過MOF主體的開放孔道與LLZO顆粒表面直接接觸，這能使不穩定的固態接觸轉換成納米浸潤的界面，促進Li+傳輸。由于獨特的納米潤濕界面，混合的SSE具有高的離子電導率1.0×10-4 S·cm-1和寬的電化學窗口5.2 V，并和Li金屬負極具有很好的匹配性。基于此原理，LLZO基的LiCoO4和LiFePO4 SSBs的界面Li+傳輸性能大幅提高，具有良好的循環穩定性，循環150圈后容量保持率為97 %，并且倍率性能優異。這種良好的化學性能與離子導體通過納米界面機制有關。這種MOF離子導電劑在SSB內建立了有效的Li+傳輸網絡，有助于提高器件的安全性和功率性能。相關成果以“Boosting Interfacial Li+ Transport with a MOF-Based Ionic Conductor for Solid-State Batteries”為題發表在Nano Energy上，博士后王子奇和博士生王子劍為共同第一作者。

【圖文導讀】

圖 1 固態電池中，LIM離子導體的結構及其工作機理示意圖

固態電池中，LIM離子導體的結構及其工作機理示意圖。

圖 2 UIO-67和LIM離子導體顯微結構圖

（a）UIO-67 MOF的實驗和模擬XRD圖譜；

（b）陶瓷LLZO粉末和標準Li5La3Nb2O12卡片的XRD圖譜；

（c）UIO-67 MOF的SEM圖像；

（d）LIM離子導體的SEM圖像。

圖 3 LIMs離子導體的Arrhenius和阻抗圖

（a）不同離子液體含量的LIMs離子導體的Arrhenius圖；

（b）在30-100℃下，LIM樣品的EIS曲線（插入圖是高頻放大圖）；

（c）不同LIM含量的LIM-L、燒結后LLZO陶瓷片和LLZO粉末壓片離子導電性的Arrhenius圖；

（d）含有20 wt%的LIM-L的LIM-L的EIS圖（插入圖是高頻放大圖）。

圖 4 Li/LIM/Li對稱電池性能圖

（a）納米潤濕界面的示意圖；

（b）Li-IL，LIM離子導體和LIM-L混合SSEs的Li+遷移數；

（c）極化前后，Li/LIM/Li對稱電池的阻抗圖（插入圖是極化過程中電流隨時間的變化）；

（d）Li-IL，LLZO，LIM離子導體和LIM-L混合SSE的電化學窗口；

（e）在0.1 mA/cm-2的電流密度下，Li/LIM/Li對稱電池的電鍍剝離圖。

圖 5 LiCoO2和LiFePO4 SSBs的電池性能圖

（a）不同電流密度下，LiCoO2 SSBs的充放電曲線；

（b）LiCoO2 SSBs的倍率圖；

（c）在0.1 C的電流密度下，LiCoO2 SSBs的循環性能圖；

（d）不同電流密度下，LiFePO4 SSBs的充放電曲線；

（e）LiFePO4 SSBs的倍率圖；

（f）在0.1 C的電流密度下，LiFePO4 SSBs的循環性能圖。

【小結】

本文發現浸潤Li+離子液體的MOF主體的新型離子導體，可以在LLZO固態電池中降低界面阻抗。MOF主體具有3 D通孔結構，使內部Li-IL離子直接與LLZO和正極顆粒接觸，形成納米浸潤Li+傳輸界面。離子導體和LLZO的混合SSE具有高的離子導電率1.0×10-4 S·cm-1，寬的化學窗口5.2 V。混合SSE和Li負極具有很好的匹配性，均勻的Li沉積能夠有效地抑制Li枝晶的生長。當離子導體加入到LCO和LFP SSBs，有效的Li+傳輸網絡在電池內部形成，進而提高電池的倍率性能和循環性能。具有納米浸潤界面的離子導體有助于Li+傳輸，這種方法實現為SSB規模化制造提供了新的思路。

文獻鏈接：Boosting Interfacial Li+ Transport with a MOF-Based Ionic Conductor for Solid-State Batteries（Nano Energy, 2018, DOI: 0.1016/j.nanoen.2018.04.076）。

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