石榴石型Li7La3Zr2O12固态电解质离子电导率及电极界面问题研究进展

石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)固态电解质因高安全性且对锂金属稳定成为固态锂电池的关键材料。但是,石榴石型固态电解质离子电导率还有待提高以及固-固界面不良接触导致的界面电阻大等问题使LLZO基固态电池的实际应用受到了限制。从石榴石型LLZO结构角度出发,探讨了锂离子输运机制并综述了提高离子电导率的策略及最新成果。针对固态锂电池无法避免的界面问题,从LLZO固态电解质与同为固态的电极接触方面,总结了优化界面的具体方法。最后,提出了石榴石型固态电解质未来可研究的方向,并促进其在全固态锂电池中的发展和应用。     

锂离子电池陶瓷复合全固态电解质的制备和性能研究

以负载Al₂O₃的无纺布为支撑膜, 浸涂PEO-LAGP-SN-LiTFSI的乙腈共混液干燥后制得新型复合固态电解质膜(CLASP)。该膜的热稳定性好, 即使在170℃的高温下依然不发生形变。当浸涂共混液中PEO: LAGP: SN: LiTFSI为3: 1: 1: 1, 固含量为10wt%时, 室温电导率可以达到3.66×10^-5 S/cm, 100℃时电导率可达2.52×10^-4 S/cm. CLASP膜的电化学窗口宽, 以该膜代替液态电解质装配的全固态LiFePO₄/CLASP/Li电池, 在55℃循环时表现出良好的循环稳定性, 高的库伦效率, 有望成为电化学性能优越的全固态电解质。     

全固态锂离子电池正极与石榴石型固体电解质界面的研究进展

全固态锂离子电池具有高安全性、高能量密度、宽使用温度范围以及长使用寿命等优势, 在动力电池汽车和大规模储能电网领域具有广阔的应用前景。作为全固态电池的重要组成部分, 无机固体电解质尤其是石榴石型固态电解质在室温下锂离子电导率可达10 ^-3 S·cm ^-1, 且对金属锂相对稳定, 在全固态电池的应用中具有明显的优势。然而正极与石榴石型固体电解质间接触性能以及界面的稳定性差, 使得电池表现出高的界面阻抗、低的库伦效率和差的循环性能。本文以全固态锂离子电池正极与石榴石型固体电解质界面为研究对象, 分析了正极/固体电解质的界面特性以及界面研究中存在的问题, 综述了正极复合、界面处理工艺、界面层引入等界面调控和改性的方法, 阐述了优化正极与石榴石型固体电解质界面结构, 改善界面润湿性的解决思路, 提出了未来全固态锂离子电池发展中有待进一步改进的关键问题, 为探索全固态锂离子电池的实际应用提供了借鉴。     

锂金属电池中复合固态电解质与负极界面的研究进展

与传统锂离子电池相比,全固态锂金属电池因其安全性好、能量密度高的特点备受关注.但是电极与固态电解质的固固接触带来较大的界面阻抗,而锂金属较为活泼易与固态电解质发生反应,造成了界面不稳定.界面问题已经成为制约全固态电池发展的关键因素之一.有机-无机复合固态电解质兼顾无机固态电解质和有机固态电解质的优势,具有较高离子电导率和一定的力学强度,展现出优异的实用化前景.本文综述了近年来复合固态电解质与金属锂负极界面改性的研究进展,总结了当前界面改性的主要研究思路:包括在界面构筑"软接触"、调节固态电解质的力学性能以及调控界面处锂离子的沉积动力学过程等.同时,也对今后界面改性的研究趋势进行了展望.     

原位复合法制备TiO2 / ( PEO)8LiClO4 聚合物电解质

以聚氧化乙烯/ 高氯酸锂络合物( ( PEO)₈LiClO₄ ) 为基体, 通过钛酸四丁酯的水解缩合反应在基体中原位生成TiO₂粒子, 制备了TiO₂ / ( PEO)₈LiClO₄复合聚合物电解质膜。采用SEM、DSC 和交流阻抗方法分别研究了电解质膜的表面形貌、热性能和离子导电性能。结果表明, 原位生成的TiO₂ 粒子均匀分散于PEO 基体中。复合TiO₂后电解质膜的玻璃化转变温度和结晶度降低。电解质膜的离子导电行为满足Arrhenius 方程, 并在5 %TiO₂含量时体系的电导率出现最大值5. 5 ×10 -5 S/ cm (20 ℃) 。以此膜为电解质组装的全固态聚合物锂电池放电时电压平稳, 20 次循环后放电容量保持在107 mAh/ g。      

单离子导电聚合物电解质膜的制备及电化学性能研究

以对苯乙烯磺酸钠为原料,通过一系列反应合成了单离子导体聚(对苯乙烯磺酰)(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiPSTFSI),将其与PEO按不同EO/Li⁺共混,制备单离子导电聚合物电解质膜。研究表明,PEO/LiPSTFSI电解质膜在270℃下具有良好的热稳定性;在60℃时,EO/Li⁺=16的电解质膜的离子电导率达到1.94×10^-5 S/cm,且锂离子迁移数>0.85,接近于锂单离子导体;同时电解质膜表现出较好的电化学稳定性和界面性能。     

通过双掺杂增强Li7P2.9Sb0.1S10.65O0.15I0.2电解质用于高性能全固态锂硫电池(英文)

硫化物固体电解质是发展高容量锂硫电池的理想候选者.然而,同时提高硫化物固体电解质的离子导电性、空气稳定性和电解质/电极界面的相容性仍然是一个巨大的挑战.因此,我们提出了一种双掺杂(Sb₂O₃和LiI)策略来制备多功能硫化物固体电解质. Sb₂O₃可以拓宽锂离子的传输路径和提高空气稳定性,而LiI可以抑制锂枝晶的生成和降低电解质/电极之间的电阻.因此,硫化物固体电解质在空气中和界面上的性能得到了增强,在30℃下的离子电导率为1.69×10^-3S cm^-1,且具有很好的空气稳定性,对金属锂也很稳定.在此基础上,组装的全固态锂硫电池以0.05 C循环100圈后,表现出较高的放电比容量(室温,833 mA h g^-1; 60℃:949 mA h g^-1).本文为制备实用的硫化物固体电解质和高性能全固态锂硫电池提供了合理的方案.     

无机填料在复合固态电解质中的作用机制研究进展

全固态锂电池以其良好的安全性和更高的能量密度受到广泛关注，而固态电解质是决定固态电池性能的关键材料。由聚合物基体和无机填料组成的无机/有机固体复合电解质因其优良的可设计性而显示出广阔的应用前景。其中，锂离子传导能力是复合电解质性能的决定性因素，而无机填料对提升锂离子传导有重要作用。本文列举了典型无机填料的种类，总结了不同种类填料对加速锂离子输运过程的作用机理，讨论了无机填料的添加量、颗粒大小、分散性、形态对提升离子电导率的影响规律。除此之外，还归纳了无机填料对电化学窗口、锂离子迁移数、力学性能等其他性能的影响。     

La0.7Sr0.3FeO3-Sm0.2Ce0.8O2复合阴极制备及性能研究

采用固相反应法(SSR)和硝酸盐-甘氨酸燃烧法(GNP)合成La0.7Sr0.3FeO3(LSF)粉体,用于制备中温固体氧化物燃料电池的复合阴极LSF-Sm0.2Ce0.8O2(SDC).用交流阻抗谱研究复合阴极的组成、烧结温度、起始粉体性质等因素对电极界面比电阻的影响.结果表明,在LSF中加入适当比例的SDC可明显提高电极的性能.当SDC的加入量达到其渗流阀值(～50%,质量分数)时,在700℃复合阴极的界面比阻抗约为0.2 Ω·cm2,大约为纯LSF的十分之一.电极性能的明显提高的原因是电极离子电导率的提高、CeO2的本征催化性能以及电极三相线密度的增大.     

电还原MoSe2修饰TiO2纳米管光电化学性能研究

通过阳极氧化法在乙二醇电解液中制备TiO₂纳米管阵列, 以钼酸钠和亚硒酸为原料, 改变原料的浓度配比以及沉积电压, 电化学还原沉积MoSe₂对TiO₂纳米管阵列进行修饰, 以半导体复合的方式提高TiO₂的光电化学性能。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对复合物进行物相、形貌分析, 通过电化学工作站测试复合材料的线性伏安曲线、交流阻抗。结果表明, MoSe₂与TiO₂形成了p-n异质结, 降低了光生电子和空穴的复合以及电荷转移电阻显著降低, 使载流子浓度、光电流密度明显增大。沉积电压为-0.5 V, 2 mmol/L H₂SeO₃沉积30 s, 经过300 ℃热处理的MoSe₂/TiO₂复合材料具有优异的光电化学性能, 在0 V偏压条件下光响应电流密度为1.17 mA/cm ², 是空白样品的3倍, 电荷转移电阻从331.6 Ω/cm ²下降到283.9 Ω/cm ²。当热处理温度为330 ℃时, MoSe₂会发生团聚, 堵塞TiO₂基底, 使得MoSe₂/TiO₂吸光能力减弱, 综合性能变差。     

固态锂电池用MOF/聚氧化乙烯复合聚合物电解质

固态聚合物电解质具有柔韧性好和易于加工的优势, 可制备各种形状的固态锂电池, 杜绝漏液问题。但固态聚合物电解质存在离子电导率低以及对锂金属负极不稳定等问题。本研究以纳米金属-有机框架材料UiO-66为聚合物电解质的填料, 用于改善电解质的性能。UiO-66与聚氧化乙烯(poly(ethylene oxide), PEO)链上醚基的氧原子的配位作用以及与锂盐中阴离子的相互作用, 可显著提高聚合物电解质的离子电导率(25 ℃, 3.0×10 ^-5S/cm; 60 ℃, 5.8×10 ^-4 S/cm), 并将锂离子迁移数提高至0.36, 电化学窗口拓宽至4.9 V。此外, 制备的PEO基固态电解质对金属锂具有良好的稳定性, 对称电池在60 ℃、0.15 mA·cm ^-2电流密度下可稳定循环1000 h, 锂电池的电化学性能得到显著改善。     

PEO基固态聚合物电解质膜的静电纺丝制备及性能EI北大核心CSCD

PEO基固态聚合物电解质被认为是目前固态锂电池领域极具产业化前景的固态电解质。为适应工业化生产,采用静电纺丝技术制备PEO/LiClO_(4)固态聚合物电解质(SPE),研究纺丝电压、纺丝液质量浓度和锂盐含量对SPE纤维膜形貌和直径的影响。通过扫描电子显微镜观察SPE中纤维的形貌,利用Image J软件分析SPE纤维的直径。通过DSC,XRD,FTIR-ATR和拉伸测试等手段对静电纺丝制备的SPE纤维膜的组成、结构、性能等进行研究。结果表明:当纺丝电压为15 kV、PEO/LiClO_(4)纺丝液质量浓度为6%、[EO]∶[Li^(+)]=10∶1(摩尔比)时,静电纺丝方法制备的PEO/LiClO_(4) SPE纤维膜具有较好的纤维形貌,平均直径为557 nm,分布均一;当[EO]∶[Li^(+)]=10∶1时,SPE纤维膜中PEO的熔点仅为53.8℃,结晶度低至18.9%;电解质在30℃时的离子电导率达到5.16×10^(-5)S·cm^(-1),同时具备良好的电化学稳定性和界面稳定性。     

石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12对Si/C负极表面固体电解质中间相的调控机制研究

硅(Si)负极在充放电过程中巨大的体积变化会导致固态电解质中间相(SEI)破裂和硅颗粒粉化, 进而造成容量快速衰减。本研究报道了一种利用Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂(LLZTO)固体电解质调节Si/C负极表面SEI成分的策略。将LLZTO层均匀地涂覆在商用化聚丙烯(PP)隔膜表面, 不仅提高了电解液对隔膜的润湿性, 均匀化锂离子通量, 并且增大了SEI中无机组分的比例, 从而增强Si/C负极的界面稳定性。得益于上述优势, 使用LLZTO修饰的PP隔膜所组装的锂离子电池表现出更为优异的循环稳定性和倍率性能。Li-Si/C半电池的可逆容量为876 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=1.5 A·g^-1)的倍率下, 200次循环的容量保持率为81%; 而LFP-Si/C全电池的比容量为125 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=170 mA·g^-1)的倍率下循环100次后容量保持率为91.8%。该工作中LLZTO固体电解质调节了Si/C负极表面SEI成分, 为开发高性能硅基锂离子电池提供了新思路。     

钾离子掺杂提高锂离子电池正极锰酸锂性能的微观机制

改善尖晶石锰酸锂的大倍率性能是目前锂离子电池的重点研究方向之一。本研究用高温固相法合成掺K⁺的尖晶石锰酸锂, 研究K⁺提高锰酸锂倍率性能的微观机制。结果表明, 尽管随着电流密度增大, 电极的放电比容量下降, 但掺K⁺提高材料的大倍率性能效果显著, 如最佳掺K⁺量(物质的量分数)1.0%时, 在10C (1C=150 mA·g^-1)下比容量提高了一倍, 远高于0.5C下的1.9%。原因在于掺K⁺后, 首先, 锰酸锂的晶胞体积扩大, Li-O键变长, Li、Mn阳离子混排程度降低, 载流子(Mn³⁺)量增多; 其次, 电极极化和电荷迁移阻抗降低, 提高了材料的充放电可逆性、导电性及锂离子扩散能力; 再者, [Mn₂]O₄骨架更稳定, 减小了电化学过程中内应力变化, 抑制了晶体结构变化和颗粒破碎; 最后, 钾离子掺杂使制备过程中材料团聚, 从而减小电解液与电极的接触面积, 减轻电解液的侵蚀, 抑制锰的溶解。     

锂离子电池负极材料钛酸锂的研究进展

锂离子电池作为一种动力能源, 在电动汽车和各种储能系统中有着良好的应用前景。尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)负极材料具有较高的脱嵌锂电位平台、优异的循环稳定性、以及突出的安全性能, 被认为是一种非常有潜力的锂离子电池负极材料, 在锂离子动力电池中具有巨大的发展潜力。然而, 尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂存在着本征导电率低, 理论容量小等缺陷, 极大地限制了其规模化应用, 需要进一步改善和提高。本文总结了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂材料在结构形貌、制备方法和性能方面的研究进展, 深入分析和讨论了离子掺杂、碳表面改性和纳米化等改性方法对尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂综合电化学性能的改善效果, 并展望了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子电池负极材料未来的发展方向。     

Li7P2S8I固态电解质的湿化学法制备及性能

对于全固态锂离子电池,固态电解质是制约电池性能的最重要因素之一。以四氢呋喃为反应溶剂,以P₂S₅,Li₂S和LiI为反应原材料,采用湿化学法及后续真空热反应方法成功制备出Li₇P₂S₈I固态电解质。通过同步热分析仪、粉末X射线衍射、拉曼光谱、扫描电子显微镜和能谱仪对所制备电解质样品的形貌、元素分布和物相组成进行表征分析。利用交流阻抗测试、循环伏安法和直流极化等手段研究了Li₇P₂S₈I固态电解质的电化学性能。不同温度对比分析结果表明Li₇P₂S₈I固态电解质的最佳热处理温度为230℃,在此条件下的制备产物具有纳米多孔结构且组成元素分布均匀。电化学测试表明该电解质在25℃下的离子电导率为1.63×10^-4 S·cm^-1,活化能为0.388 eV,电化学窗口达到5 V,锂离子迁移数高于0.999。该电解质与锂金属组装的对称电池可充放电稳定循环>262次(525 h),表明以此方法制备的Li₇P₂S₈I固态电解质与金属锂负极具有优异的电化学稳定性和化学相容性。     

双盐镁电池CoS2正极材料的电化学性能研究

镁金属电池因为镁金属负极的高体积比容量(3833 mAh/cm³)和高安全性而日益受到关注。然而, Mg²⁺引起的极化效应抑制了Mg²⁺在固相中的扩散, 限制了镁金属电池的比容量。锂镁双盐电解液利用Li⁺代替Mg²⁺驱动正极反应, 能够绕开Mg²⁺在固相中扩散缓慢的问题。本工作研究了过渡金属硫化物CoS₂在不同锂镁混合电解液中的电化学性能, 并分析了锂盐浓度和充放电电压区间对其转换反应和循环稳定性的影响。添加锂盐的策略提高了CoS₂基镁金属电池的转换反应动力学, 当充电电位提高至2.75 V时, Mg-CoS₂电池在LiCl-APC电解液中的循环稳定性得到显著提高, 在循环150次后, 其比容量仍能维持在275 mAh/g, 远高于在2.0 V截止电压条件下的33 mAh/g。电池容量衰减与CoS₂正极在2.0 V充电电位下Co₃S₄的不可逆生成有关, 其长期循环中伴随的Co和S元素溶解加剧了容量的不可逆损失。本工作为过渡金属硫族化合物在转换反应型镁电池中的应用提供了一种激活策略。     

非晶LiSiON薄膜电解质的全固态薄膜锂电池性能

全固态薄膜锂电池(TFLB)是理想的微电子系统电源.目前报道的固态非晶电解质存在离子电导率偏低的问题,限制了TFLB性能的提升.本工作采用磁控溅射法制备了一种新型非晶锂硅氧氮(LiSiON)薄膜用作TFLB的固态电解质.结果表明,优化制备条件后的LiSiON薄膜具有6.3×10–6 S·cm–1的高离子电导率以及超过5...     

Towards safe lithium‒sulfur batteries from liquid-state electrolyte to solid-state electrolyte

Lithium–sulfur (Li‒S) battery has been considered as one of the most promising future batteries owing to the high theoretical energy density (2600 W·h·kg⁻¹) and the usage of the inexpensive active materials (elemental sulfur). The recent progress in fundamental research and engineering of the Li‒S battery, involved in electrode, electrolyte, membrane, binder, and current collector, has greatly promoted the performance of Li‒S batteries from the laboratory level to the approaching practical level. However, the safety concerns still deserve attention in the following application stage. This review focuses on the development of the electrolyte for Li‒S batteries from liquid state to solid state. Some problems and the corresponding solutions are emphasized, such as the soluble lithium polysulfides migration, ionic conductivity of electrolyte, the interface contact between electrolyte and electrode, and the reaction kinetics. Moreover, future perspectives of the safe and high-performance Li‒S batteries are also introduced.