0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評論與回復(fù)
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學習在線課程
  • 觀看技術(shù)視頻
  • 寫文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會員中心
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認識你,還能領(lǐng)取20積分哦,立即完善>

3天內(nèi)不再提示

鋰金屬電池復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)研究進展

鋰電聯(lián)盟會長 ? 來源:YXQ ? 2019-05-09 08:53 ? 次閱讀

近年來,固態(tài)電解質(zhì)因具有安全性高和防止枝晶生長等功能受到了研究者的廣泛關(guān)注和研究。以下講述復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)研究進展供讀者參考與借鑒,同時,歡迎大家提出不同簡介。

【引言】

鋰電池具有高的能量密度以及便攜性,已是運用最廣泛的商業(yè)儲能體系。雖然傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池具備良好的離子導(dǎo)電率和浸潤性,但同時也存在著熱穩(wěn)定性差、易燃、易漏液等安全問題。當前石墨為負極的鋰離子電池體系經(jīng)過多年量產(chǎn)優(yōu)化,能量密度已經(jīng)很難超過300Wh/kg,難以滿足市場對高續(xù)航里程的要求。高理論能量密度的鋰金屬負極電池,如Li-S及Li-O2體系等,重回視線。 然而,傳統(tǒng)的有機系液態(tài)電解液容易在鋰金屬表面的分解,導(dǎo)致電池壽命的縮短;同時液態(tài)電解液無法有效抑制鋰枝晶的生長,進而帶來電池的短路,熱失控甚至引起引起火災(zāi)及爆炸。

采用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)是解決上述問題的有效方法。目前主流的固態(tài)電解質(zhì)主要包括聚合物固態(tài)電解質(zhì)和無機陶瓷固態(tài)電解質(zhì)兩大類。聚合物固態(tài)電解質(zhì),如PEO、PAN、PVDF、PMMA等,通常具有良好的柔性、穩(wěn)定的界面,易操作性,但其低溫下的鋰離子導(dǎo)電率較低。無機陶瓷固態(tài)電解質(zhì),如鈣鈦礦型、石榴石型、NASICON、硫化物等,通常具有較高的離子導(dǎo)電率和良好的阻燃性能,但易與電極發(fā)生反應(yīng),界面穩(wěn)定性差。由上可知,單一組分的固態(tài)電解質(zhì)難以滿足鋰電池的實際應(yīng)用需求。因此,設(shè)計和制備復(fù)合型的固態(tài)電解質(zhì),將聚合物電解質(zhì)、無機電解質(zhì)甚至液態(tài)電解液的有機結(jié)合,實現(xiàn)各個組分的功能雜化,成為提高固態(tài)電解質(zhì)性能的有效途徑。

【成果簡介】

近日,浙江大學吳浩斌研究員(通訊作者)和上海師范大學劉肖燕博士合作在Chemistry-A European Journal上發(fā)表了題為“Recent Progress of Hybrid Solid-State Electrolytes for Lithium Batteries”的綜述文章。本文總結(jié)了復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu),分別對層狀聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)、混合型聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)、無機-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)和框架材料-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計原則、離子導(dǎo)電機理、電化學性能及構(gòu)效關(guān)系進行了總結(jié)和討論(圖1)。文末對幾類復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)面臨的問題和未來應(yīng)用前景進行了分析和展望。

圖1. 復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。a) 復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計原則;b) 幾類復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖2. 層狀聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)a-c) 鋰硫電池層狀GPE/LAGP/GPE復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖、充點-靜置-放電曲線和循環(huán)壽命圖;d) 層狀聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)三明治結(jié)構(gòu)示意圖及聚(乙二醇)甲醚丙烯酸酯分子結(jié)構(gòu);e) 固態(tài)鋰金屬電池聚合物電解質(zhì)(e1和e2)、無機陶瓷電解質(zhì)(e3)和聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)(e4)。

由于無機陶瓷固態(tài)電解質(zhì)與電極的界面接觸性能較差,且容易發(fā)生副反應(yīng),導(dǎo)致界面阻抗大,穩(wěn)定性差。雖然通過添加少量的液態(tài)電極液或者界面修飾可以降低阻抗,但是界面副反應(yīng)仍難以消除。采用柔性的聚合物固態(tài)電解質(zhì)與之疊加,制備“三明治”型層狀復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)可以有效增強電極與電解質(zhì)間的界面接觸,同時消除副反應(yīng),穩(wěn)定界面。

圖3. 混合型聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)a) 柔性固態(tài)LFP/PEO:LLZTO/Li電池示意圖;b) PEO, PEO:LLZTO, and LLZTO固態(tài)電解質(zhì)的阿侖尼烏斯曲線;c) 鋰金屬在具有錨定陰離子的固態(tài)電解質(zhì)PPL和陰離子可移動的傳統(tǒng)液態(tài)電解液中的沉積過程示意圖;d) 鋰離子在不同組分的LLZO-PEO(LiTFSI)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中的遷移路徑示意圖;e-f) PVDF/LLZTO-CPEs復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)、離子導(dǎo)電率和組裝電池的循環(huán)性能圖。

將高離子導(dǎo)電性的無機固態(tài)電解質(zhì)顆粒添加到聚合物中,制備成混合型的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì),既可以降低聚合物的結(jié)晶程度又可以實現(xiàn)鋰離子在無機離子中的遷移傳導(dǎo),從而大大提高復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率。

圖4. 具有特定結(jié)構(gòu)的混合型聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)a-b) 有序排列的聚合物-無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)示意圖及其阿侖尼烏斯曲線;c)PEO-網(wǎng)狀石榴石納米纖維復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)示意圖;d-f) 聚合物-納米顆粒復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)和聚合物-3D框架復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電機理示意圖。

具有特定納米結(jié)構(gòu)的(一維或三維等)無機固態(tài)電解質(zhì)與聚合物復(fù)合,可以提供連續(xù)的鋰離子傳輸通道,減少顆粒間的連接,為進一步提高該類復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率提供了可能。

圖5. 無機-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)a) SiO2-RTIL-LiTFSI/PC復(fù)合固態(tài)電解質(zhì);b) PIL/TEOS/Li-IL復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的化學機構(gòu)、三相圖及外觀圖;c) 空心SiO2納米球-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)示意圖;d-e)BAIE-1.0 中無機基體與液態(tài)組分間的相互作用和鋰離子遷移路徑示意圖;f) 電解質(zhì)BAIEs 和 ILE的阿侖尼烏斯曲線。

無機納米顆粒的添加可以實現(xiàn)液態(tài)電解液向固態(tài)或準固態(tài)的轉(zhuǎn)化,使其在保證較高離子導(dǎo)電率的同時具備固態(tài)電解質(zhì)優(yōu)異的屬性。特別是具有豐富孔道結(jié)構(gòu)的無機納米基體,可以通過物理吸附和化學鍵合實現(xiàn)液態(tài)電解液的固態(tài)化,形成良好的鋰離子傳輸通道。

圖6. MOF-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)a) Mg2(dobdc)MOF結(jié)構(gòu)示意圖;b)MOF-IL復(fù)合固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)及潤濕界面示意圖;c)陰離子型框架材料的制備及MIT-20和MIT-20d的晶體結(jié)構(gòu);d) MIT-20-LiCl、MIT-20-LiBr、MIT-20-Na和MIT-20-Mg的離子導(dǎo)電率;e-f) 鍵合ClO4–離子的MOF框架中的仿生離子通道和響應(yīng)里對稱電池電化學性能圖。

圖7. COF-液態(tài)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)a) 多孔CB[6]基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)及其鋰離子傳輸路徑示意圖;b) ICOF-1和ICOF-2結(jié)構(gòu)示意圖;c-d) CD-COF-Li電解質(zhì)中鋰離子傳輸示意圖和相應(yīng)的鋰對稱電池性能圖;e-f) 陽離子型Li-CON-TFSI COF框架中鋰離子傳導(dǎo)及離子解離示意圖;g) 未修飾和長鏈烷氧基修飾的Li+@TPB-DMTP-COF結(jié)構(gòu)示意圖。

MOF、COF等框架材料具有豐富的孔道和可調(diào)節(jié)的化學結(jié)構(gòu),是制備復(fù)合型固態(tài)電解質(zhì)的良好基體。通過官能團的調(diào)節(jié),使電中性的框架材料顯示出正電性或者負電性,直接或間接的對鋰離子進行錨定,從而實現(xiàn)鋰離子傳輸通道的構(gòu)筑。

【小結(jié)及展望】

近年來,固態(tài)電解質(zhì)因具有安全性高和防止枝晶生長等功能受到了研究者的廣泛關(guān)注和研究。復(fù)合型固態(tài)電解質(zhì)可以綜合多種固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點,成為提高固態(tài)電池的性能的新途徑。通過精確控制復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)對其機械性能、離子導(dǎo)電率、界面穩(wěn)定性等物理化學性能進行有效的調(diào)控。

盡管固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速,但是其基本原理的探究和實際應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。因此,深入研究復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中鋰離子的傳導(dǎo)機理、各組分間的協(xié)同作用及界面性質(zhì)將對進一步提高復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的性能提供指導(dǎo)性作用。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
  • 鋰電池
    +關(guān)注

    關(guān)注

    260

    文章

    8294

    瀏覽量

    174442
  • 固態(tài)電解質(zhì)

    關(guān)注

    0

    文章

    86

    瀏覽量

    5566

原文標題:【科研】鋰金屬電池復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)研究進展

文章出處:【微信號:Recycle-Li-Battery,微信公眾號:鋰電聯(lián)盟會長】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

收藏 0人收藏

    評論

    相關(guān)推薦
    熱點推薦

    高臨界電流密度固態(tài)電池單晶的合成

    金屬一直以來被認為是高能量密度電池的理想負極材料。不幸的是,金屬負極在實際電流密度下容易形成枝晶,限制了其應(yīng)用。早期的理論工作預(yù)測,具有
    的頭像 發(fā)表于 03-01 16:05 ?520次閱讀
    高臨界電流密度<b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電池</b>單晶<b class='flag-5'>鋰</b>的合成

    超聲波焊接有利于解決固態(tài)電池的枝晶問題

    電池(SSLMBs)作為一種極具潛力的儲能技術(shù),由于其固有的高安全性和實現(xiàn)高能量密度的潛力備受關(guān)注。然而,其實際應(yīng)用受制于嚴峻的界面問題,主要表現(xiàn)為固態(tài)電解質(zhì)
    發(fā)表于 02-15 15:08

    清華大學:自由空間對硫化物固態(tài)電解質(zhì)表面及內(nèi)部裂紋處沉積行為的影響

    全性的全固態(tài)金屬電池的最具潛力的候選電解質(zhì)材料之一。 盡管如此,仍有大量研究表明,即使在較低的
    的頭像 發(fā)表于 02-14 14:49 ?272次閱讀
    清華大學:自由空間對硫化物<b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>表面及內(nèi)部裂紋處<b class='flag-5'>鋰</b>沉積行為的影響

    固態(tài)金屬電池的最新研究

    成果簡介 全固態(tài)金屬電池因其高安全性與能量密度而備受關(guān)注,但其實際應(yīng)用受限于的低可逆性、有限的正極載量以及對高溫高壓操作的需求,這主要源
    的頭像 發(fā)表于 01-23 10:52 ?607次閱讀
    全<b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>鋰</b><b class='flag-5'>金屬</b><b class='flag-5'>電池</b>的最新<b class='flag-5'>研究</b>

    研究論文::乙烯碳酸酯助力聚合物電解質(zhì)升級,提升高電壓金屬電池性能

    1、 導(dǎo)讀 >> ? ? 該研究探討了乙烯碳酸酯(VC)添加劑在聚丙烯酸酯(PEA)基固態(tài)聚合物電解質(zhì)中的作用。結(jié)果表明,VC添加劑顯著提升了電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率和遷移數(shù),同時提高了
    的頭像 發(fā)表于 01-15 10:49 ?516次閱讀
    <b class='flag-5'>研究</b>論文::乙烯碳酸酯助力聚合物<b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>升級,提升高電壓<b class='flag-5'>鋰</b><b class='flag-5'>金屬</b><b class='flag-5'>電池</b>性能

    固態(tài)電池最新突破

    兼容性的固態(tài)電解質(zhì)(SSEs)具有重要意義。 SSEs主要分為固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPEs)和固態(tài)無機電解
    的頭像 發(fā)表于 01-14 11:15 ?670次閱讀
    <b class='flag-5'>固態(tài)</b>鋰<b class='flag-5'>電池</b>最新突破

    清華深研院劉思捷/港科大Kristiaan Neyts最新AEM封面文章:硫化物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

    復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)及其全固態(tài)鋰離子電池的應(yīng)用,并被評選為正封面(front cover)文章。 ? ? 本文綜述了硫化物與聚合物
    的頭像 發(fā)表于 01-07 09:15 ?342次閱讀
    清華深研院劉思捷/港科大Kristiaan Neyts最新AEM封面文章:硫化物<b class='flag-5'>復(fù)合</b><b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>

    陳軍院士團隊最新Angew,聚合物電解質(zhì)新突破

    研究背景 固態(tài)金屬電池(SSLMBs)因其高的能量密度和優(yōu)異的安全性能在能源存儲領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而,現(xiàn)有
    的頭像 發(fā)表于 01-06 09:45 ?514次閱讀
    陳軍院士團隊最新Angew,聚合物<b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>新突破

    一種薄型層狀固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計策略

    研 究 背 景 用固態(tài)電解質(zhì)(SSE)代替有機電解液已被證明是克服高能量密度金屬電池安全性問題
    的頭像 發(fā)表于 12-31 11:21 ?583次閱讀
    一種薄型層狀<b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>的設(shè)計策略

    半互穿網(wǎng)絡(luò)電解質(zhì)用于高電壓金屬電池

    研究背景 基于高鎳正極的金屬電池的能量密度有望超過400 Wh kg-1,然而在高電壓充電時,高鎳正極在高度去化狀態(tài)下,Ni4+的表面反
    的頭像 發(fā)表于 12-23 09:38 ?708次閱讀
    半互穿網(wǎng)絡(luò)<b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>用于高電壓<b class='flag-5'>鋰</b><b class='flag-5'>金屬</b><b class='flag-5'>電池</b>

    通過電荷分離型共價有機框架實現(xiàn)對金屬電池固態(tài)電解質(zhì)界面的精準調(diào)控

    (-3.04 V vs SHE),被認為是次世代電池的最優(yōu)選擇。然而,金屬負極的實際應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn),其中最關(guān)鍵的問題是枝晶的生長和副反應(yīng)的發(fā)生。這些問題不僅會導(dǎo)致
    的頭像 發(fā)表于 11-27 10:02 ?745次閱讀
    通過電荷分離型共價有機框架實現(xiàn)對<b class='flag-5'>鋰</b><b class='flag-5'>金屬</b><b class='flag-5'>電池</b><b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>界面的精準調(diào)控

    欣界能源發(fā)布“獵鷹”金屬固態(tài)電池

    的界面處理技術(shù)和固態(tài)電解質(zhì)配方。這些先進技術(shù)使得電池的單體能量密度得到了顯著提升,高達480Wh/kg。與傳統(tǒng)電池相比,這一性能提升了一倍以上,為
    的頭像 發(fā)表于 11-18 11:44 ?950次閱讀

    固態(tài)金屬電池陽極夾層設(shè)計

    固態(tài)金屬電池(ASSLB)由于其高能量密度和高安全性而引起了人們的強烈興趣,金屬被認為是一
    的頭像 發(fā)表于 10-31 13:45 ?570次閱讀
    全<b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>鋰</b><b class='flag-5'>金屬</b><b class='flag-5'>電池</b>的<b class='flag-5'>鋰</b>陽極夾層設(shè)計

    固態(tài)電池復(fù)合陽極上固體電解質(zhì)界面的調(diào)控

    采用固體聚合物電解質(zhì)(SPE)的固態(tài)金屬電池(SSLMB)具有更高的安全性和能量密度,在下一代儲能領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。
    的頭像 發(fā)表于 10-29 16:53 ?909次閱讀
    <b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電池</b>中<b class='flag-5'>復(fù)合</b><b class='flag-5'>鋰</b>陽極上固體<b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>界面的調(diào)控

    固態(tài)電池技術(shù)的最新進展

    的核心在于使用固態(tài)電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)。這種固態(tài)電解質(zhì)不僅能夠提供離子傳輸?shù)耐ǖ?,還能防止電池
    的頭像 發(fā)表于 10-28 09:18 ?1766次閱讀

    電子發(fā)燒友

    中國電子工程師最喜歡的網(wǎng)站

    • 2931785位工程師會員交流學習
    • 獲取您個性化的科技前沿技術(shù)信息
    • 參加活動獲取豐厚的禮品