双网络结构溶剂化离子液体凝胶电解质助力高安全锂二次电池

解决锂离子电池安全性问题最有效的手段之一是发展不可燃的电解质体系。离子液体由于其低挥发和不可燃的特性,使其在锂离子电池中的应用研究受到了广泛关注。同时,随着储能器件朝着更高能量密度、柔性化等方向发展,具有高安全性、可运用于锂离子电池的离子液体凝胶也因此成为一种极具应用前景的电解质体系。但是,现有的离子液体凝胶电解质通常存在力学性能差、与电极界面不稳定和锂离子迁移数低等问题,极大地限制了离子液体凝胶电解质的实际应用。

近日,华中科技大学材料科学与工程学院胡先罗课题组开发了一种具有有机-无机双网络结构的溶剂化离子液体凝胶电解质SIGE。这种电解质融合了有机-无机双网络骨架结构和溶剂化离子液体的优点:双网络结构赋予了电解质优异的力学性能,在经80 MPa外力挤压变形后仍然可以恢复原状;而溶剂化离子液体热稳定性好、可燃性低、锂离子迁移数高且与金属锂兼容性好的优点也在SIGE中得到了充分的体现,使其成为一种极具实际应用前景的离子液体凝胶电解质。

作者进一步研究了基于SIGE的磷酸铁锂电池的电化学性能。结果表明,电池循环稳定性和倍率性能远优于使用传统的离子液体凝胶电解质的锂二次电池。高镍三元正极材料(NCM811)具有能量、功率密度高、成本低等优点,但是其循环稳定性和安全性问题一直没有得到很好地解决,因此关于NCM811在固态锂电池中的应用报道较少。作者通过多种实验手段探究了NCM811与SIGE之间的界面劣化机制,并提出通过向SIGE中引入少量的双氟草酸硼酸锂,可以极大地抑制NCM811表面惰性金属氟化物和碳酸盐的生成,降低电极/电解质界面阻抗,提升电池的综合电化学性能。此外,软包电池的电化学性能及安全性测试结果进一步验证了SIGE在高安全、柔性储能器件中的可行性。该工作为发展高性能的离子液体凝胶电解质提供了参考。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201900257)上。该论文的第一作者为华中科技大学材料科学与工程学院博士研究生余乐,通讯作者为华中科技大学材料科学与工程学院胡先罗教授。