北京大学深圳研究生院潘锋教授Adv. Energy Mater,: 柔性电解质膜在固态锂离子电池中的应用和制备

【引言】

全固态锂离子电池与传统锂离子电池相比，由于其能量密度高，循环寿命长和安全性好，引起了全世界的关注。而作为全固态电池的关键部件，固体电解质已经被众多研究人员进行了深入研究。固体电解液一般可分为的三种类型，即无机固体电解质（ISES），固体聚合物电解质（SPE）和复合固体电解质（CSES）。传统的SPE在室温下较低电导率，较窄电化学窗口。ISES则面临脆性大，界面和晶界电阻等劣势。与ISE和SPE相比，CSES不仅具备较大的柔性和良好的界面-电极接触，而且在较低的温度下也表现离子导电性。

【成果简介】

目前而言，在大多数报道中CSES的无机物含量相对较低，而无机粒子大多数分散在膜上，缺乏与电极的接触。近日，北京大学深圳研究生院潘锋教授（通讯作者）在Advanced Energy Materials 上发文，题名“Flexible Composite Solid Electrolyte Facilitating Highly Stable “Soft Contacting” Li–Electrolyte Interface for Solid State Lithium-Ion Batteries”。在这项工作中，利用无机固体颗粒（Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3）与聚氧化乙烯（PEO）、硼化聚乙二醇（Group）组成的柔性复合固体电解质膜。由于该电解质膜具有致密无机锂离子导电层，阻碍了锂枝晶的自由生长；同时BPEG低聚物不仅降低了PEO的结晶度，从而具备良好的离子导电性，也有促进界面之间的“软接触”。在锂金属阳极上均匀沉积/剥离过程中减少了极化效应。

【图文导读】

图1 电解质XRD, DSC, SEM相关表征

a. LATP, CSE‐B‐71515, CSE‐730, CSE‐71515和PEO的XRD谱图。

b. 不同材料的DSC曲线。

c. CSE‐B‐71515膜的光学照片。

d-e. Li/CSE‐B‐71515/Li电池的SEM和EDS图像。

示意图1 合成反应过程

BPEG合成过程示意图

图2 不同材料的Arrhenius曲线

不同的CSE膜在30℃至90℃的Arrhenius曲线

图3 BPEG（左）和PEG（右）的分子动力学模拟结果

具有相同分子质量的BPEG（左）和PEG（右）分子动力学模拟结果

示意图2 在固态电解质中锂离子传输和枝晶生长示意图

a. 无无机颗粒

b. 紧密堆积的无机颗粒

图4 不同电解质在恒电流下的循环表征

以恒电流0.2 mA/cm²在60℃下的循环

a. Li/CSE-B-71515/Li。

b. Li/CSE-730/Li。

c. Li/CSE-71515/Li。

d. Li/SPE-B-011/Li。

图5 循环之后的形貌表征

a. Li/CSE-B-71515/Li在循环之后的SEM。

b. Li/CSE-730/Li

c. Li/CSE-71515/Li

d. 不同CSE电解质的阻抗图

 示意图3

不同CSE膜在锂沉积和脱离的过程的作用

图6 不同CSE膜的电化学性能表征

a. 载物量为0.502 mg/cm² LFP/CSE-B-71515/Li充放电图

b. 三种电池在电流为0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C和2 C下的放电容量

c. 载物量为0.485 mg/cm² LFP/CSE-730/Li充放电图

d. 载物量为0.533 mg/cm²  LFP/CSE-71515/Li充放电图

【小结】

该工作介绍了一种柔性固体电解质膜（CSE-B-71515）的制备和研究。作为膜的主体，致密的无机物不仅抑制了锂枝晶生长，而且为锂离子的转移提供了通道。大分子颗粒结合PEO组成柔性膜形成的BPEG采用“软接触”增加了锂金属和膜间的接触面积，因此进一步抑制了锂枝晶生长。此外，在60℃测试了LFP／CSE-B-71515 /Li电池倍率性能，在0.1 C, 0.2 C, 0.5C, 1C和2C下的平均容量分别为158.2, 155.2, 139.6, 124.1和94.2 mA h/g。该电解质膜为制备新型柔性复合固体电解质提供了一种设计思路。

文章链接：Flexible Composite Solid Electrolyte Facilitating Highly Stable “Soft Contacting” Li–Electrolyte Interface for Solid State Lithium-Ion Batteries（Adv. Energy Mater. 2017, 10.1002/aenm.201701437）

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