近幾十年,鋰離子
電池由于其高的能量密度被廣泛應(yīng)用于日常消費(fèi)類電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車等裝置,被認(rèn)為是最具潛力的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化體系。
在過(guò)去的三十年,鋰離子電池的能量密度從80 Whkg-1增長(zhǎng)到240Whkg-1已接近其物理化學(xué)的極限。
因此,高能量密度體系的鋰金屬電池成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。但是,鋰金屬負(fù)極搭配有機(jī)的商業(yè)化液態(tài)電解液由于枝晶的生長(zhǎng)易造成嚴(yán)重的熱失控,存在巨大的安全隱患。固體電解質(zhì)的快速發(fā)展為解決鋰金屬電池中的安全問(wèn)題提供了可靠的選擇。但是,由于固體電解質(zhì)與固態(tài)的鋰負(fù)極以及正極之間的固-固界面接觸,造成了較大的容量損失和接觸損失。因此,固體電解質(zhì)與固體電極之間的界面問(wèn)題為固態(tài)鋰金屬電池進(jìn)一步的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。另外,凝膠電解質(zhì)體系的發(fā)展,在一定程度上緩和了固態(tài)電解質(zhì)與電極之間的固-固界面問(wèn)題,但是,由于有機(jī)液體電解液自身固有的易燃性,電池在高的工作溫度下的安全問(wèn)題仍是潛在的威脅。因此,借助新的材料和工藝設(shè)計(jì)非易燃性且安全的固體電解質(zhì)界面十分必要。
【成果簡(jiǎn)介】
近日,在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所郭玉國(guó)老師的悉心指導(dǎo)下,來(lái)自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)吳雄偉副教授成功的設(shè)計(jì)了具有粘彈性且非易燃的復(fù)合固體電解質(zhì)解決了固體電解質(zhì)與電極的接觸問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)金屬鋰的均勻沉積。該設(shè)計(jì)在固體電解質(zhì)與正負(fù)極界面之間成功的構(gòu)筑了鋰離子傳輸通道,進(jìn)一步提升界面處的離子傳輸動(dòng)力。得益于此新穎的設(shè)計(jì),固態(tài)鋰金屬電池搭配LiFePO4(LFP)和LiCoO2(LCO)正極實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能,0.5C下經(jīng)過(guò)100個(gè)循環(huán)容量保持率98%且在5C下發(fā)揮出97 mAhg-1的容量。對(duì)循環(huán)后的鋰金屬負(fù)極進(jìn)行了一系列表征,結(jié)果表明在鋰負(fù)極沒有枝晶的生成,成功的實(shí)現(xiàn)了金屬鋰的均勻沉積。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 CPL-IL固體電解質(zhì)與固態(tài)鋰金屬電池結(jié)構(gòu)示意圖
示意圖(a) 具有粘彈性界面的CPL固體電解;(b)搭配固體電解質(zhì)的電池結(jié)構(gòu)示意圖;固體電解質(zhì)與電極的接觸行為 (c) 正極界面處和 (d) 鋰金屬負(fù)極界面處。
圖2 CPL固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)與形貌表征
CPL聚合物電解質(zhì)的掃描圖(a) 截面圖 (b)正面圖;CPL固體電解質(zhì)的光學(xué)照片(c) 伸展態(tài) (d)彎曲態(tài);(e) 復(fù)合固體電解質(zhì)的透射電鏡圖 (內(nèi)嵌:選區(qū)電子衍射圖);(f) 復(fù)合固體電解質(zhì)的元素分布圖。
圖3 CPL固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能表征
CPL復(fù)合固體電解質(zhì)的表征:(a) XRD表征;(b) 熱重曲線圖;(c) 復(fù)合固體電解質(zhì)的電化學(xué)窗口測(cè)試圖;(d) 變溫阻抗測(cè)試;(e) 阿倫尼烏斯線性擬合圖;(f)直流極化曲線(內(nèi)嵌:極化前后阻抗變化)。
圖4 鋰金屬固態(tài)電池電化學(xué)性能表征
Li| CPL-IL| LFP電池的 (a) 倍率性能圖;(b) 相應(yīng)的恒流充放電曲線圖;(c) Li| CPL-IL| LCO電池不同循環(huán)的充放電曲線圖;(d) Li| CPL-IL| LCO電池在0.5C下的循環(huán)性能圖;(e) Li| CPL-IL| LFP電池在0.5C下的循環(huán)性能圖。
圖5 循環(huán)完后鋰金屬表面結(jié)構(gòu)與成分分析
液態(tài)鋰金屬電池搭配不同正極循環(huán)后鋰負(fù)極的掃描電鏡圖 (a, e) LFP正極;(c, g) LCO正極;相應(yīng)的固態(tài)電池循環(huán)完后掃描電鏡圖;(b, f) LFP正極;(d, h) LCO正極;(i) 金屬鋰在液態(tài)電解質(zhì)與固態(tài)電解質(zhì)中的生長(zhǎng)機(jī)制示意圖;循環(huán)完后鋰金屬表面的原子力顯微鏡測(cè)試圖 (j)Li| CPL-IL| LFP電池;(k)Li| EDDL| LCO液態(tài)電池;循環(huán)完后鋰金屬表面的XPS結(jié)果(i) S2p, (m)C1s, (n)N1s和(o)F1s。
【總結(jié)】
通過(guò)粘彈性且安全的固體電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)成功的穩(wěn)定了固體電解質(zhì)與電極的界面接觸問(wèn)題。在電極與固體電解質(zhì)見成功的構(gòu)筑了鋰離子的傳輸通道,解決了固體電解質(zhì)與電極的接觸問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)了金屬鋰的均勻沉積。該設(shè)計(jì)為解決鋰金屬固態(tài)電池中電極與電解質(zhì)界面的接觸問(wèn)題提供了實(shí)際和具有潛力的解決途徑。
(責(zé)任編輯:子蕊)