Advanced Energy Materials:复合聚合物电解质的研究进展

锂电池在近三十年中作为储能电池应用在手机、笔记本电脑和电动汽车等设备中,给人们的生活方式带来了翻天覆地的变化。然而,传统的锂离子电池越来越接近其能量密度的极限,使用金属锂代替传统石墨负极可以显著提高锂电池的能量密度。但是,金属锂负极在循环过程中会产生枝晶,使得电池容量剧烈衰减,同时也增加了安全隐患。

固态电解质相对于传统的液态电解质具有不易燃、高热稳定性、不易泄露等特点,能够显著提高电池体系的安全性。因此,开发基于锂金属负极的固态锂电池成为储能领域提高能量密度和安全性的重要研究方向。根据成分的不同,固态电解质可以分为聚合物电解质和无机固态电解质两类。聚合物电解质因为依靠锂离子在聚合物链段上的跳跃和链段本身的运动传输锂离子,使得其离子电导率低,难以在实际电池中应用。无机固态电解质虽然具有较高的离子电导率,但是其与电极的界面接触差,增大了界面反应势垒,使得充放电反应无法正常进行。把上述聚合物电解质与无机固态电解质复合,制备复合聚合物电解质,有可能同时实现较高的离子电导率和良好的电极-电解质接触界面。

图1. 复合聚合物电解质的成分分类

近日,郑州大学付永柱教授(通讯作者)课题组系统的讨论了以聚合物为框架组成的复合电解质及最新进展。首先,讨论了聚合物电解质离子传输机理以及重要的物理化学性质和测试方法,如离子传导率、锂离子迁移数、电解质界面稳定性、机械性质和热性质等。其次,对于掺入聚合物电解质骨架的材料进行了详细的分类总结,如液态电解质、离子液体为主要成分的增塑剂,无机惰性纳米材料,无机固态电解质等。另外,总结了复合聚合物电解质在钠和钾电池中的研究进展。最后,该团队展望了未来固态电解质的发展趋势,如开发更高离子传导率、更高界面稳定性的新材料,开发基于超薄电解质膜的新材料和加工技术,发展研究固态电解质膜和界面的原位技术等。

该工作得到了国家自然科学基金(项目编号:21975225、51902293)的资助,相关成果以“Advances in Composite Polymer Electrolytes for Lithium Batteries and Beyond”为题,在线发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202000802)期刊。郑州大学青年教师唐帅、郭玮副教授分别为该工作的第一、第二作者。