锂电池高离子迁移数插层复合固体电解质

锂离子电池具有高工作电压、长循环寿命、无记忆效应、环境友好等优点,已被广泛应用于储能领域。可是,传统有机电解液锂电池存在着火、爆炸等安全隐患,极大制约了锂离子电池的发展。代替传统有机电解液和石墨负极,以固体电解质和金属锂负极为关键材料开发的固态锂电池在能量密度和安全性方面都有显著提升,是未来锂电池发展的方向。然而,固态锂电池的开发仍然面临缺乏兼具高离子电导率和高稳定性的固体电解质材料、电解质与正负极材料的物理接触较差、电解质/电极间界面阻抗大以及锂负极表面枝晶生长等难题。因此,设计和制备兼顾高离子电导率、宽电化学窗口和与正负电极材料稳定兼容的固体电解质成为固态锂电池发展的关键。

锂蒙脱石(LiMNT)作为一种价格低、环境友好的纳米片单离子导体,已在锂电池固体电解质领域广泛研究。LiMNT的纳米片层间具有极高的膨胀能力,通过简单便捷的合成方法可以将聚合物基体插入到LiMNT层间形成具有插层结构的纳米复合材料。插层空间的存在有助于离子的单向传输特性,便于在插层空间内形成一个优良的离子传输通道。近日,来自北京科技大学的范丽珍教授、清华大学南策文院士及张强教授研究团队采用溶液浇铸结合热压方法开发了具有高离子迁移数的插层聚碳酸乙烯酯(PEC)-LiMNT复合固体电解质。为进一步提高该电解质的离子电导率和力学性能,通过热压方法在上述电解质体系中引入少量的氟代碳酸乙烯酯和聚四氟乙烯,最终获得了具有插层结构的高离子迁移数PEC-LiMNT复合固体电解质。为了有效抑制锂负极枝晶生长,采用熔融金属灌注策略,将熔融的金属锂灌输进入3D泡沫镍载体空隙中,获得了3D Li-Ni复合负极。高离子迁移数插层PEC-LiMNT固体电解质和3D锂负极的协同作用实现无枝晶生长。分别采用LiFePO4和高容量三元Al2O3包覆LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极,与PEC-LiMNT电解质和3D锂负极组装的固态锂电池具有优异的循环和倍率性能。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201901047)上。

Speak Your Mind