关键词:
聚合物固体电解质
固态锂电池
离子电导率
空间电荷层理论
界面电阻
原位聚合
Li6.25Ga0.25La3Zr2O12
摘要:
近年来,锂离子电池成功地应用于动力汽车和消费电子等领域。然而,传统的锂离子电池主要使用的是有机液态电解质,不可避免地带来电解质的泄露、燃烧等安全风险。另外,使用石墨负极的传统锂离子电池的能量密度已经达到了其理论极限值,无法满足目前的储能需求。由于具有优秀的安全性,用固体电解质替代液体电解质有望彻底解决锂离子电池的安全问题。更重要的是,固态电池可以使用锂金属作为负极,以获得更高的能量密度。相比于陶瓷固体电解质,聚合物固体电解质具有机械柔性、易成膜、成本低以及更好的界面接触等优点。然而,聚合物固体电解质的离子电导率较低,电化学稳定性差。这些缺点限制了在固态电池的应用。为解决上述问题,我们开展了以下研究工作:(1)复合固体电解质的离子导电机理:将Li6.25Ga0.25La3Zr2O12(LLZO)纳米颗粒分散在聚氧化乙烯(PEO)中,制备了聚合物型PEO-LLZO复合固体电解质。PEO-LLZO复合固体电解质在30℃的电导率为7.2×10-5 S/cm,比PEO的电导率高约4个数量级。复合固体电解质电导率的提高主要与PEO/LLZO界面处的空间电荷层有关。根据TEM观察,空间电荷层的宽度约为3 nm。利用相场理论计算了缺陷在空间电荷层的浓度和分布,并揭示了空间电荷层的形成过程。进一步,我们构建了随机电阻模型,并利用蒙特-卡罗方法模拟了复合固体电解质中锂离子的传导;结果表明,复合固体电解质电导率的提高是由于渗流效应,连续的空间电荷层为锂离子传输提供了快速路径。(2)三维LLZO网络(3D-LLZO)复合固体电解质:制备了具有连续锂离子传输通道的3D-LLZO网络的复合固体电解质。其中,3D-LLZO是采用以聚氨酯泡沫为模板的有机泡沫浸渍法制备。由于具有连续交联的渗流通道,3D复合固体电解质在30℃时的离子电导率为1.2×10-4 S/cm,相比LLZO纳米颗粒复合固体电解质增加了 1倍。3D复合固体电解质离子电导的增加验证了空间电荷层理论的正确性。此外,3D复合固体电解质的迁移数、热稳定性、机械强度以及电化学稳定性也具有较大的提升。Li/3D复合固体电解质/Li对称电池可稳定循环超过360小时而不发生短路。此外,LiFePO4/3D复合固体电解质/Li全固态电池在0.5 C展示了优异的稳定循环性以及高放电比容量。(3)三维LLZO纳米纤维复合固体电解质:使用LLZO纳米纤维填料进一步优化了复合固体电解质的离子电导率。LLZO纳米纤维是通过静电纺丝制备而成,LLZO纳米纤维的直径约为120 nm。LLZO纳米纤维复合固体电解质的室温离子电导率为3.2×10-4S/cm,约为LLZO纳米颗粒复合固体电解质的4倍,并且复合固体电解质的电化学窗口达到4.8 V。Li/纳米纤维复合固体电解质/Li对称电池在0.45 mA/cm2电流密度下可稳定循环超过1500圈(1000 h),表现出了超强的抑制锂枝晶的能力。使用PEO-LiTF SI-LLZO替代PVDF作为粘结剂,设计了一种集成化的界面结构的全固态电池,优化了正极/电解质之间的界面接触,有效地降低了界面电阻。因此,LiFePO4/纳米纤维复合电解质/Li全固态电池在0.5 C的倍率下可以稳定循环800次,且放电比容量相对于最大值保持率高达90.4%。(4)原位聚合的复合固体电解质:利用液体电解质的聚合反应制备了一种新型的复合固体电解质。聚合的复合电解质(PCEs)在室温下的电化学稳定窗口可达6.5 V。此外,PCEs在30℃下的离子电导率为1.8×10-4 S/cm,锂离子迁移数为0.58。Li/PCEs/Li对称电池在0.5 mA/cm2下能稳定循环超过1000 h,与锂负极具有极好的相容性且有效地抑制了枝晶的生长。采用原位聚合方法,PCEs与正/负极均能保持共形的界面接触,固态电池的界面电阻约降低了一半。当PCEs 与 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)和 LiNi0.85Co0.05Al0.1O2(NCA)等高电压正极和Li负极相搭配时,固态电池表现了优异的电池性能:包括高比容量、库伦效率和较长的室温循环寿命。(5)原位聚合的准固体电解质:采用原位聚合策略,在电化学电池中原位引发液体电解质的聚合反应,制备了一种具有交联结构的准固体电解质。因此,准固体电解质与所有电极之间建立了超共形的界面接触,固态电池的界面电阻大幅度降低。此外,准固体电解质在室温离子电导率高达4.3×10-3 S/cm,Li+迁移数为0.55,电化学稳定窗口为5.2 V。在电池循环过程中,锂负极表面原位形成的富LiF的固体电解质中间相(SEI)层,有效地阻止了枝晶生长和锂负极的粉化。因此,NCA-Li、NCM622-Li固态锂金属电池可以实现在较大电流密度下充-放电,并能获得高的放电比容量和长的