自适应纳米交联基固态电解质:一种改善锂电池安全性的新选择

近年来,锂离子电池在广泛应用于移动电话、笔记本、数码产品等便携式电子设备的同时,随着性能的不断提升,也成为新能源汽车、大规模储能、航空航天和国防军事等应用领域的热点,同时上述领域的发展也对锂离子电池提出了更高的综合性能要求。在关注锂离子电池能量密度、功率特性的同时,安全性和环境适应性一直是影响锂离子电池更广泛有效应用的关键。

电解质材料在正负极之间起着运输和传导电子的作用,其性能不仅影响到电极材料性能(如比容量、循环寿命及倍率性能等)的正常发挥,而且对电池的安全性也影响极大。商业化锂离子电池用电解液溶剂具有热稳定性低、易燃易爆等不足,易引起锂离子电池的热失控,造成起火甚至爆炸等不良后果。全固态电解质可以显著提升锂离子电池的安全性能,但是同时又难以满足高电导率、宽电化学窗口和稳定的电极-电解质界面特性等要求,因此开发新型高安全性的固态电解质体系成为当前锂离子动力电池新材料研发的重要课题。

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(a)不同离子液体含量的固态电解质的结构示意图(b)固态电解质界面的SEM图;(c)交联基的截面SEM图;(d)交联基的TEM图。

最近,北京理工大学吴锋教授和陈人杰教授团队开发出自适应纳米交联基固态电解质,突破传统固态电解质对高温以及薄膜的应用限制。利用钛酸四丁酯作为交联剂,甲酸作为催化剂,采用原位的溶胶-凝胶反应将离子液体固定在交联基的孔道内,通过优化离子液体的含量和种类,合成了多种新型的固态电解质。该体系中,交联基具有丰富的纳米孔道,为离子迁移提供了足够的空间和通道,三维的网络结构也促进了离子液体的内扩散和离子的迁移;同时,在原位合成过程中,构建的纳米孔道半径可以随着离子液体电解质的离子尺寸大小进行自适应调节。该电解质同时具有高室温电导率(2.8×10-3 S /cm,25℃;1.1×10-2 S/cm,80℃)、宽电化学窗口、不可燃性和良好的机械稳定性,与LiCoO2、LiFePO4,LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2以及富锂电极材料均表现出良好的电化学兼容性。温度适应性评价表明,该固态电解质体系可有效拓宽高温适用范围,其中匹配富锂材料的原理电池可以在0℃到100℃的环境下稳定运行,匹配LiFePO4的原理电池在150℃储存10小时后,放电平台保持稳定,容量保持率达到92%。

该类固态电解质材料合成方法简单,条件温和,低耗节能。原材料钛酸四丁酯的水解和缩聚反应速率高,与催化剂混合后1分钟即可形成凝胶,未来有望在3D打印或喷墨打印技术上得到进一步的应用。