新型聚合物电解质催生高安全性“柔性”锂离子电池

2013年北美国际车展展出的电动汽车。图片:http://www.flickr.com/photos/motorblog/8484567947/@CC BY 2.0

锂离子电池自问世以来,以其独特的高能量密度、高输出电压、长循环寿命、环境污染小等优点受到了人们的广泛青睐,已在消费电子市场占据主导地位,并力争在未来电动汽车和可再生能源储存等大规模储能领域发挥重要作用,但其安全性和价格问题必须妥善解决。

锂离子电池的安全问题主要源于热失控的发生,电极/液态有机电解液相互作用的热稳定性是制约锂离子电池安全性的首要因素。因此,探索高安全和可靠性新型电解质以替代有机电解液是解决锂离子电池安全性问题的有效途径之一。聚合物电解质应运而生,其可有效缓解甚至消除电解质与电池材料之间发生的化学反应,避免电解质渗漏,可望提高锂离子电池的安全性和能量密度等。更重要的是,机械强度高和柔韧性好的聚合物电解质的运用将使得“印刷”锂离子电池成为可能,不仅可拓展锂离子电池在“柔性”电子器件上的应用,更可望降低锂离子电池的制造成本。

<img class=" wp-image-8393 casino online ” title=”Print” src=”https://www.materialsviewschina.com/wp-content/uploads/2013/04/mcontent1.jpg” alt=”” width=”250″ height=”208″ /> 可印制的、弯曲的且具有“记忆性”的高分子电解质。图片:Advanced online slots Materials

近日,韩国科学家Lee Sang-young等研制出一种新颖的具有非牛顿流体力学性质的流体,发现作用于这种流体的剪切力越大,其性质越接近固体,可以制备成具有良好机械强度和优异柔韧性的固态电解质膜。区别于以往的锂离子电池聚合物电解质,该电解质由乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)、电解质碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)以及适量的Al2O3组成。适量Al2O3的加入,不仅有助于形成非牛顿流体,而且可起关键的支撑和调节作用,使膜可根据所处环境的需要任意变形,在保证电极材料原有结构和电化学性能的同时,提高锂离子电池的安全性。

锂离子电池电解质必须具备宽的电化学窗口和优异的离子传导性和热稳定性。研究发现,该新型固态电解质膜的电化学窗口可高达4.5 V,室温下离子传导率超过了10-3 S cm-1,热稳定温度最少可达100 ℃,加上其优良的柔韧性和机械稳定性,其综合性能远优于之前所报道的聚合物电解质。当用于锂离子电池时,发现经过50次的充放电循环,电池的比容量几乎没有衰减,库伦效率高,初步证明了其在锂离子电池工作环境下,具有很高的稳定性。研究人员进一步使用三维硅作为锂离子电池的负极,通过对比多次充放电前后的电极形貌,惊奇地发现这种新型的聚合物电解质膜可适应三维硅电极的形貌而发生变化,保全了电极的三维结构,充分验证其对电极结构的保护作用。

这种具有高热稳定性和离子传导率的可压印和弯曲的新型聚合物电解质的成功研制,将使锂离子电池电解质可与各种形貌的电极材料做到无缝结合,有望大规模应用于复杂结构三维锂离子电池的制造,改善锂离子电池的安全性,降低生产成本,拓展应用领域。

张 新波 About 张 新波

研究员,博士生导师,中科院“百人计划”入选者;任职于中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室;所在课题组主要从事清洁能源材料和高能化学电源等高效储能基础和应用研究。