近日，我校胡寧教授團(tuán)隊在鋰電池領(lǐng)域取得新的研究成果，并發(fā)表在國際頂級期刊Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202205560）上。
傳統(tǒng)鋰電池含有大量有機(jī)液體電解質(zhì)，存在著起火甚至爆炸的隱患，而且能量密度低，難以滿足航空航天、新能源汽車等新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的要求。采用固態(tài)電解質(zhì)取代有機(jī)電解液而發(fā)展起來的固態(tài)電池，是一種新型儲能技術(shù)，有望解決傳統(tǒng)鋰電池的安全性問題，并能提高電池能量密度，應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域。作為固態(tài)電池的核心材料，發(fā)展兼具室溫離子電導(dǎo)率高、離子遷移數(shù)大、與金屬負(fù)極以及高壓正極相容性好的固態(tài)電解質(zhì)材料，具有非常重要的研究意義。
胡寧教授、重慶大學(xué)宋樹豐副教授和廈門大學(xué)楊勇教授等，通過原位熱引發(fā)自由基聚合反應(yīng)，設(shè)計研究了一種“Superconcentrated Ionogel–in–Ceramic”（SIC，陶瓷中高濃度離子凝膠）固態(tài)電解質(zhì)。該電解質(zhì)不僅表現(xiàn)出超高的室溫鋰離子電導(dǎo)率（1.33×10-3 S cm-1），并且具有0.89的超高鋰離子遷移數(shù)，且電化學(xué)窗口達(dá)5.5 V，匹配金屬鋰負(fù)極和NCM523、LiFePO4 的固態(tài)電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)工作以“Enabling High–Voltage “Superconcentrated Ionogel–in–Ceramic” Hybrid Electrolyte with Ultrahigh Ionic Conductivity and SingleLi+–ionTransference Number”為題發(fā)表在國際頂級期刊Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202205560）上。第一作者為重慶大學(xué)博士研究生翟艷芳，我校胡寧教授、重慶大學(xué)宋樹豐副教授和廈門大學(xué)楊勇教授為論文的通訊作者。
該研究中，通過將石榴石(LLZO)電解質(zhì)納米顆粒與高濃度離子凝膠(3m LiTFSI-EmimFSI-PMMA)有機(jī)結(jié)合，形成了一種高壓單離子導(dǎo)電的“陶瓷中高濃度離子凝膠”(SIC)新型固態(tài)電解質(zhì)。同時采用原位聚合的方法，來解決離子凝膠中聚合物在離子液體中的不混溶問題以及界面問題。制備流程如下圖所示。與商業(yè)PP隔膜相比，所制備的SIC電解質(zhì)具有更高的耐熱性(圖c)。
圖1 (a) PMMA自由基聚合反應(yīng). (b) SIC電解質(zhì)的設(shè)計示意圖.(c) SIC電解質(zhì)與商用PP隔膜的耐熱性比較.
電解質(zhì)是電池的關(guān)鍵組成部分之一，它不僅能分離陰極和陽極，還能輸運(yùn)離子。在陶瓷和高濃度離子凝膠界面上的強(qiáng)烈化學(xué)相互作用導(dǎo)致一個集成的結(jié)構(gòu)，使電解質(zhì)在室溫下表現(xiàn)出1.33 × 10-3 S cm-1 的高離子電導(dǎo)率，滿足電解質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用要求，且在零下30℃離子電導(dǎo)率仍為1.68×10-5 S cm-1，優(yōu)于多數(shù)電解質(zhì)材料。且該電解質(zhì)電化學(xué)窗口為5.5 V，電子電導(dǎo)率僅為3.14 × 10?10 S cm?1，Li離子遷移數(shù)高達(dá)0.89，超高的離子電導(dǎo)率和較大的Li離子遷移數(shù)結(jié)合，使該電解質(zhì)在鋰金屬電池的應(yīng)用中具有廣闊前景。
圖2(a) SIC電解質(zhì)和高濃度離子凝膠室溫交流阻抗譜.(b) SIC電解質(zhì)和高濃度離子凝膠的電導(dǎo)率-溫度曲線.(c) SIC電解質(zhì)直流極化曲線.
(d) SIC電解質(zhì)和高濃度離子凝膠的線性掃描伏曲線.(e) SIC電解質(zhì)對稱電池的電流時間-曲線.(f) 高濃度離子凝膠的對稱電池的電流時間-曲線.
圖3 (a)Li‖LiFePO4固態(tài)電池的容量-電壓曲線.(b)Li‖LiFePO4固態(tài)電池的循環(huán).(c)Li‖LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2固態(tài)電池的容量-電壓曲線. (d)Li‖LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2固態(tài)電池的循環(huán).(e) SIC/NCM523界面SEM/EDS圖.
通過液相前驅(qū)體的原位聚合形成復(fù)合電解質(zhì)，可以解決電解質(zhì)和電極之間的高界面電阻問題。研究團(tuán)隊利用陶瓷和超濃縮離子凝膠的優(yōu)點(diǎn)，包括良好的鋰金屬穩(wěn)定性和穩(wěn)定的電解質(zhì)/正極截面，組裝了Li‖NCM523和Li‖LiFePO4固態(tài)電池，Li‖LiFePO4電池在25℃，倍率為1C的條件下穩(wěn)定工作300圈，且?guī)靷愋式咏?00%。而Li‖NCM523電池在室溫和1C條件下的良好循環(huán)，表明該電解質(zhì)可以與高壓（4.3V）正極材料相匹配。且從SEM圖可以看出SIC電解質(zhì)與NCM523緊密結(jié)合在一起，從N和F的EDS圖中可以看出，離子凝膠浸潤在正極材料內(nèi)部，從而導(dǎo)致低的界面電阻。因此，這種“陶瓷中高濃度離子凝膠”固態(tài)電解質(zhì)為高安全、高能量密度鋰金屬電池提供了一條新的途徑。
該研究工作得到了河北省重點(diǎn)研發(fā)計劃、河北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、天津市科技計劃等項(xiàng)目的資助和支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.20220556
材料來源：胡寧教授團(tuán)隊 編輯：閆涵 審核：胡寧
