Advanced Energy Materials:双聚合物固态电解质和正极颗粒表面包覆,助力全固态高电压锂电池

固态锂电池在提高电池安全性和提高能量密度方面具有广阔的应用前景。然而,无论是无机陶瓷/玻璃,还是有机聚合物电解质,其应用都受到了各自的挑战,如无机电解质/锂金属负极界面电阻大、并且伴随着严重的枝晶生长,聚合物电解质的电化学窗口较窄、并且室温导离子率较低等。纯的聚合物固态电解质和聚合物基的复合固态电解质薄膜的优势是柔韧性高、与金属锂负极的界面稳定性较高,同时可以批量制备成薄膜,有利于提高电池的能量密度。但是单一聚合物电解质的氧化还原窗口较窄,不能同时兼容低电势的锂金属负极和高电势的三元正极材料LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC),而NMC正极材料不仅拥有较高的体积和重量能量密度,同时具有很好的循环稳定性,是目前商用动力电池的主要正极材料。如果能开发出以NMC为正极材料的固态锂电池,将进一步的推动固态电池的实用化。

北京化工大学的周伟东课题组利用固体聚合物电解质难以扩散的特性,提出了双聚合物固态电解质模型:使用低电压稳定的聚合物层与负极接触、而高电压稳定的聚合物层与正极接触,从而构建双层的聚合物电解质。由于固态聚合物的扩散性很低,使得整体聚合物电解质显示出了更宽的能隙和更宽的电化学稳定窗口,达到了电化学的兼容性。同时由于NMC正极材料可化学催化聚合物电解质的分解,对NMC颗粒进行了超薄的表面包覆,从而使得聚合物电解质体系可同时与锂金属负极和NMC正极均形成稳定的界面,从而提高电池的循环寿命。在具体的电池设计中,由于高电压稳定的聚合物具有更高的熔点,可以使用高电压稳定的聚合物电解质作为正极粘合剂和表面包覆层,隔绝负极稳定聚合物与正极颗粒的接触,使用单层的负极稳定聚合物电解质作为隔膜,进一步的提高了电池的能量密度,为未来的实用型固态NMC电池提供了理想的电池模型和电解质材料,相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202002416)上。