Adv. Energy Mater.: 功能性聚合物改善電極與固態電解質界面問題

【引言】

全固態電池具有能源密度高，安全性能好等優點，有望應用于下一代高能量密度儲能裝置。需要指出的是全固態電池仍然存在一些問題， 如電極材料體積變化大、電極-電解質界面電阻高、活性材料負載量低、循環穩定性差、安全性能低等。由于全固態電池中固態電解質與電極之間的接觸是直接的物理接觸，因此界面浸潤性較差。不理想的界面浸潤性嚴重影響了全固態電池的容量，這種不利影響在高倍率情況下尤為突出。同時電極-電解質界面處發生的副反應對全固態電池的性能有一定的影響。隨著電壓或溫度的升高，副反應會進一步降低全固態電池的容量。

【成果簡介】

近日，中科院化學所的Shi Ji-Lei, Wang Chu-Ru和郭玉國（共同通訊作者）團隊報道了電極-固態電解質界面改性的最新研究進展。研究人員通過在NCM正極材料表面引入聚丙烯腈-丁二烯(PAB)包覆層，不僅有效抑制了電池在循環過程中的副反應，而且有效改善了電極-固態電解質之間的界面接觸情況。研究發現PAB界面改性的全固態電池具備優異的電化學性能：在3.0 C的電流密度下比容量可達99 mAh g^-1, 循環400圈后仍保持75％的容量。相關成果以“Ameliorating the Interfacial Problems of Cathode and Solid-State Electrolytes by Interface Modification of Functional Polymers”為題發表在Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖-1. 全固態電池存在的界面問題示意圖

圖-2. NCM@PAB的形貌和元素分布情況表征

(a)-(b) NCM@PAB的透射電子顯微鏡(TEM)圖像；

(c) NCM@PAB的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像；

(d)-(j) NCM@PAB的元素分布圖像。

圖-3. 樣品的結構表征

(a) NCM, NCM@PAB的XRD衍射圖；

(b) PAB, NCM, NCM@PAB的傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜；

(c)-(d) NCM, NCM@PAB的EDS元素含量分析結果。

圖-4. 固態電池的電化學測試曲線

(a) NCM在不同掃速下的CV曲線；

(b) 以NCM為正極的全固態電池的峰值電流密度與掃速平方根之間的函數關系及其擬合曲線；

(c) NCM@PAB在不同掃速下的CV曲線；

(d) 以NCM@PAB為正極的全固態電池的峰值電流密度與掃速平方根之間的函數關系及其擬合曲線。

圖-5. 固態電池的電化學性能測試曲線

(a) 以NCM為正極的全固態電池的恒流充放電曲線；

(b) 以NCM@PAB為正極的全固態電池的恒流充放電曲線；

(c) 以NCM為正極的全固態電池從第1圈至第20圈充電過程中的dQ/dV關系曲線；

(d) 以NCM@PAB為正極的全固態電池從第1圈至第20圈充電過程中的dQ/dV關系曲線；

(e) 以NCM為正極的全固態電池從第1圈至第20圈放電過程中的dQ/dV關系曲線；

(f) 以NCM@PAB為正極的全固態電池從第1圈至第20圈放電過程中的dQ/dV關系曲線；

(g) 以NCM為正極的全固態電池前20圈的氧化-還原峰；

(h) 以NCM@PAB為正極的全固態電池前20圈的氧化-還原峰。

圖-6. 電池的性能測試

(a) 以NCM為正極、聚合物為固態電解質的全固態電池在0.2-5.0 C電流密度區間的倍率性能；

(b) 以NCM@PAB為正極、聚合物為固態電解質的全固態電池在0.2-5.0 C電流密度區間的倍率性能；

(c) 以NCM為正極的全固態電池在循環前和不同循環次數后的Nyquist曲線；

(d) 以NCM@PAB為正極的全固態電池在循環前和不同循環次數后的Nyquist曲線；

(e) 電流密度為1.0 C時，以NCM, NCM@PAB為正極的全固態電池的循環性能曲線。

圖-7. 充電至4.3 V后NCM(綠色)和NCM@PAB(橙色)的DSC曲線

【小結】

本文通過在NCM正極材料表面引入聚丙烯腈-丁二烯(PAB)包覆層，有效改善了電極-固態電解質之間的界面問題。研究發現：PAB薄膜的引入不僅可以保證正極與固態電解質的良好接觸，而且可以有效抑制界面處的副反應；正極材料表現出低極化電壓，全固態電池表顯出優異的倍率性能和循環穩定性。該項工作為解決電極與固態電解質界面問題提供了一種簡便的解決方案，并且可以廣泛應用于其它固態電池體系中。

【文獻信息】Ameliorating the Interfacial Problems of Cathode and Solid-State Electrolytes by Interface Modification of Functional Polymers?(Adv. Energy. Mater., 2018, DOI: doi.org/10.1002/aenm.201801528)

本文由材料人編輯部新人組韓百川編輯，張杰審核，點我加入材料人編輯部。

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