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              又薄又柔的固態電解質,讓全固態锂電池飛起來!

              乐彩网:  來源:納米人  發布日期:2019-05-31

              又薄又柔的固態電解質,讓全固態锂電池飛起來!


               

              锂離子電池是當今電池世界的霸主,隨著對能量密度越來越高的要求,采用金屬锂負極成爲大勢所趨,而金屬锂負極進一步增加了電池安全風險。解決電池安全性能的重要任務,就這樣落到了全固態锂電池的肩上。

               

              为了获得与基于液体电解质的锂电池相当的能量密度,固体电解质需要具有高离子电导率、力学强度好、不可燃、化学稳定性等特性。然而,用于液体电解质的商业聚合物电解质隔板厚度仅有10 μm左右,如果采用如此薄的固体电解质势必会极大地增加电池短路的风险。

               

              有鉴于此,斯坦福大学崔屹课题组设计了一种全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物复合固体电解质,可以确保全固态锂離子電池的安全性能。

               

              图1. 聚合物-聚合物 SPE设计

               

              要點1:設計理念


               

              复合固态电解质必须由坚固、不易燃的主体制成,采用具有垂直排列的纳米通道和锂离子导电SPE填料。高模量主体防止枝晶渗透,而对齐的通道增强SPE填料的离子导电性。复合电解质的超薄和聚合物-聚合物性能使得全电池具有极大的柔韧性,低电解质电阻和潜在的高能量密度。研究团队采用高模量的纳米多孔聚酰亚胺(PI)主体和PEO /锂双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(LiTFSI)聚合物电解质进行概念验证,这种PI / PEO / LiTFSI固体电解质中,超薄多孔PI基质厚度仅8.6 μm。


               

              图2. PEO/LiTFSI表征

               

              要點2:優異性能


               

              虽然商业锂離子電池的理论能量密度接近480 Wh kg-1,但是当在计算中考虑金属壳体,正负极集流器时,理论值减少一半。如果进一步考虑隔板和液体电解质时,能量密度理论值还要进一步降低。然而,当使用PI / PEO / LiTFSI电解质(246 Wh kg-1)时,全固态电池的能量密度与液体电解质电池的能量密度相当,并且远高于其他的电解质电池。

               

              全固态电池中超薄超轻的PI / PEO / LiTFSI(1.12 mg cm-2)具有与隔膜/液体电解质(1 mg cm-2)相似的面积密度,确保其优于其他固体电解质系统。由于全固态LIB的电池外壳可能比液体电解质LIB更简单,所以固体聚合物-聚合物复合材料LIB的能量密度可能会更高。进一步,通过高容量锂化学,例如硫和金属锂,可以实现更高的能量密度。

               

              图3. 全电池性能

               

              由于PI膜不易燃,力学强度高,即使经过1000多小时的循环,也可持续防止电池短路,保证安全性。垂直通道可提高注入的离子电导率(30°C时为2.3×10-4 S cm-1),基于PI / PEO / LiTFSI固体电解质制造的全固态锂離子電池在60°C时具有良好的循环性能(C / 2速率下200次循环),并可承受弯曲,切割和钉子穿透等测试。

               

              图4. PI/PEO/LiTFSI力学测试和耐火测试

               

              图5. PI/PEO/LiTFSI滥用测试

               

              小 结


               

              总之,这项研究设计了一种超薄、柔性、安全的聚合物复合固体电解质,为发展更安全、更高效的全固态锂離子電池起到重要推动和良好的借鉴。


               

              參考文獻:

              JiayuWan, Jin Xie, Yi Cui et al. Ultrathin, flexible, solid polymer compositeelectrolyte enabled with aligned nanoporous host for lithium batteries. NatureNanotechnology 2019.


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