原位构建高界面相容性的固态锂电池聚合物电解质新体系

随着锂离子电池的在电动汽车、智能电网中的快速发展,人们对于高能量密度、高安全性能的锂电池的需求也日益增加。全固态锂电池作为一种极具潜力的储能器件,兼顾高安全性和高能量密度的优势,近年来已经成为国际高能量密度的锂电池领域的研发重点。然而,全固态电解质室温较低的离子电导率以及较差的界面相容性导致较大界面阻抗严重阻碍了高性能全固态锂电池的发展。目前以聚氧乙烯(PEO)为代表的传统全固态聚合物电解质基体,室温下的离子电导率通常低于10-6 S cm-1,电化学窗口窄难以满足动力电池能量密度进一步的迫切需求。此外,PEO基聚合物电解质通常采用浇铸成膜工艺制得,室温界面阻抗较大,影响固态电池性能发挥。

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近期,中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员课题组开发了一种新型聚碳酸亚乙烯酯(PVCA)基全固态聚合物电解质,该电解质体系采用原位聚合的工艺制得,简单易行,而且可以显著改善了电解质与电极之间的界面问题,同时大大拓宽固态电解质的电位窗口(4.5 V&Li+/Li),该工作为聚合物固态电池里程碑式工作,意义深远。青岛能源所科研人员将加入引发剂(偶氮二异丁腈,AIBN)的碳酸亚乙烯酯(VC)基液态电解液注入锂电池中,在热引发作用下发生原位聚合反应,原位生成PVCA基聚合物电解质。该原位聚合方法无需其他溶剂溶解,避免了固态电解质的繁琐的制备工艺,同时不改变现在锂电池的生产工艺,降低了固态锂电池的制作成本。同时,制备的PVCA基聚合物电解质室温下离子电导率可达2.23×10-5 S cm-1,50 oC时,离子电导率为9.82×10-5 S cm-1,高于经典的PEO基聚合物电解质。以PVCA基聚合物电解质组装的高电压LiCoO2/Li扣式电池在略高于室温的条件下可以0.1 C的电流密度进行充放电(截止电压为2.5-4.3V),其放电比容量可达146 mAh g-1,能量密度得到大幅提升,经过150次循环,其放电比容量依然达到123 mAh g-1,容量保持率为84.2 %。同时,该课题组利用原位聚合工艺制备LiCoO2基金属锂软包固态电池可以经受多次穿钉实验,电压依然保持在4.0 V以上,多次穿钉实验没有出现爆炸燃烧等现象,这也充分证明了原位生成PVCA基聚合物电解质电池具有非常高的安全性能。

该研究为开发新型全固态聚合物电解质和高能量密度固态电池技术提供了新的思路和提供重要借鉴。相关论文发表在Advanced Science(DOI:10.1002/advs.201600377)上。

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