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聚合物基固態電池研究取得新進展
 
2020-09-21 | 文章来源:沈阳材料科学国家研究中心        【 】【打印】【關閉

  近年來,锂電池作爲儲能器件在手機、筆記本電腦及電動汽車等領域的應用十分廣泛。然而,傳統的锂離子電池越來越接近其能量密度的極限,使用易燃有機電解液也使其安全性受到嚴峻的考驗。因而,亟需開發下一代兼具高能量密度和高安全性的電化學儲能器件。固態電池是采用固態電解質代替液態電解質的新型電化學儲能器件,其具有安全性能高和能量密度高的特點。目前,研究者們已經開發了聚合物固態電解質、無機固態電解質及複合型固態電解質等多種研究體系。其中,聚環氧乙烷(PEO)因其輕質、易成膜以及與電極間良好的界面接觸等特點,被廣泛應用于固態電解質的研究。 

  近期,金屬所沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部新型電化學材料與器件團隊在聚環氧乙烷基高性能電解質和固態電池方向取得了進展。針對聚環氧乙烷基固態電解質中锂離子電導率和遷移數較低的問題,利用多硫化锂的穿梭效應,通過原位電化學還原聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(PEGMA)與硫的共聚物,制備了-S4Li接枝的聚環氧乙烷固態電解質,從而實現快速的锂離子傳輸,並有效改善界面穩定性,使得全固態聚合物锂電池在50°C下表現出高達1200圈的超高循環穩定性。 

  針對聚環氧乙烷基固態電池需要在較高溫度(50-70°C)下使用,而在室溫及低溫下難以工作的問題,研究人員從锂離子傳輸的微觀尺度出發,以有機小分子丁二腈(SN)替代常規的無機填料,通過調控丁二腈和環氧乙烷(EO)的摩爾比,在有效抑制聚環氧乙烷結晶並弱化環氧乙烷與锂離子結合力的基礎上,實現了離子傳輸尺度上均質且快速的離子通路的形成。當丁二腈和環氧乙烷的摩爾比調控爲1:4時,固態電解質的離子電導率提升了2個數量級,固態電池在室溫和低溫下(0°C)下也表現出優異的電化學性能。 

  上述工作近期發表在Nano Energy2020,75,10497)和Advanced Functional Materials2020, 30, 2007172)。工作獲得了國家自然科學基金、中科院青促會項目、中科院先導項目和國家重點研發計劃等的資助。 

图1 多硫化锂接枝的固态电解质的制备过程

图2 固态电解质锂离子传输模式示意图

图3 固态电解质的电化学表征

图4 固态电池性能

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