全固态锂离子电池用PEO基聚合物电解质的研究进展

锂离子电池作为重要的能量储存元件在消费类电子产品、电动汽车和可再生能源存储等领域具有广泛的应用。传统液态电解质锂离子电池受到能量密度低、安全性差等诸多缺陷的限制,采用固态电解质替代液态电解质制备新型固态锂离子电池目前备受关注。PEO基固态聚合物电解质由于其设计简单、易于制造、使用安全等优点已被认为是替代传统液体电解质的首选。介绍了当前PEO基聚合物电解质的主要研究种类、特点和性能;阐述了锂离子在PEO基聚合物电解质中的导电机制;分析了与PEO络合的锂盐种类对聚合物电解质的电导率的影响规律;在此基础上提出了几种改善PEO基聚合物电解质性能的措施和方法。     

用于锂离子电池的全固态聚合物电解质

用全氟醚作为增塑剂对PEO改性,并与双三氟甲烷磺酰亚胺锂复合,制备了全固态聚合物电解质。采用SEM、交流阻抗、稳态电流法及恒电流恒电压充放电等对固态聚合物电解质的性能进行了测试表征,结果表明:m(PFPE)∶m(PEO)=0.6的固态聚合物电解质膜的电导率30℃时为2.6×10-3 S·cm-1,同条件下电解质溶液电导为8.2×10-3 S·cm-1,二者处于同一个数量级;随PFPE的量增加,锂离子的迁移数增大;与液态电解质电池相比,固态聚合物电解质制成的电池具有更好的循环容量保持特性,固态聚合物电解质电池500次循环的容量保持率在88.1%,液态电解质电池循环容量保持率在64.5%左右;固态聚合电解质有很优异的耐高温安全性,在130℃和150℃下经1~2h热箱试验,用固态聚合物电解质制作的锂离子电池没出现明显体积变化,而相同条件下的液态电解质锂离子电池已发生爆裂或起火。     

锂离子/导电聚合物全固态二次电池的研究进展

在新能源电池的研究与开发领域中,导电聚合物(Conducting Polymers,CPs)材料具有广泛和重要的实际应用。目前,CPs主要应用在锂离子(Li+)电池中,既可以作为电池的正极材料,又可以作为电池的负极材料,但通常情况下,一般用作负极材料的情况居多。典型CPs包括:聚苯胺(PAn)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PT)、聚苯撑(PPP)、聚乙炔(PAc)、聚对苯撑乙烯(PPV)等。     

全固态锂离子电池中金属锂负极界面优化改性研究

以共聚物PEDOT-co-PEG作为锂金属阳极的表面改性层,采用磷酸铁锂复合阳极和“石榴石型”物质以及聚合氧乙烷聚合物组成的固体电解质制备了全固态锂离子电池。采用SEM分析了锂金属充电-放电反复操作后的形态学改变;采用电化学组抗谱试验研究了改性后的锂金属以及复合固体电解质接触面的稳定性并对全固态锂离子电池的充电-放电性能和界面稳定性进行了研究。结果表明,未改性的锂金属在固态电池充电-放电过程中会生成锂枝晶,从而导致全固态锂离子电池的高电流密度容量快速衰变;“石榴石型”物质以及聚合氧乙烷聚合物组成的固体电解质与改性后的金属锂具有良好的接触面,从而扼制锂枝晶的形成,提高全固态锂离子电池的机械性能;在PEDOT-co-PEG共聚物改性锂金属后,全固态锂离子电池的平稳性显著提高,且容量减弱放缓。     

全固态锂电池中金属锂负极及其界面设计的研究进展

锂金属具有低的氧化还原电位(-3.04 V vs标准氢电极)和高比容量(3860 mAh/g),是理想的锂二次电池负极材料.由金属锂负极/固态电解质/嵌锂正极组装的固态锂电池,有望成为未来航空航天、机器人、高端电子和电动汽车等相关技术产业的动力源.然而,在充放电过程中,由于锂的不均匀沉积-溶解造成锂与电解质接触面产生大量树枝状枝晶,并沿着电解质方向不断生长,最终造成电池内部短路而失效.使用较高杨氏模量的固态电解质,可以很大程度上阻挡锂枝晶的生长,但仍不能满足电池长循环和安全性的要求.此外,金属锂与固态电解质表面是固固接触,造成了界面电阻大以及金属锂与固态电解质的界面反应等问题,这严重阻碍了固态锂金属电池的发展与使用.本文综述了近年来基于固态电解质的金属锂电池抑制锂枝晶生长和提高固固界面相容性的相关策略,并对金属锂/固态电解质界面设计的发展趋势进行展望.     

全固态锂硫电池中界面问题的研究现状

由于锂金属负极的理论比容量和固态电解质的安全性高,全固态锂硫电池越来越受到研究者的青睐.与液态锂硫电池相比,全固态锂硫电池最大的不同在于使用固态电解质替换了液态电解质,且固态电解质材料不可燃,因此有着更高的安全性.此外,经过优化处理后的固态电解质有着足够的机械强度,可以有效抑制锂枝晶的产生.同时在产品的制备和运输方面,全固态电池也有着更大的优势.然而,全固态电池中存在着大量的固固界面,这些固固界面会导致在循环过程中产生界面电阻、体积畸变等一系列问题,会制约全固态锂硫电池的商业应用.因此,近年来学者们对固固界面进行了广泛的研究,不断改进制备工艺,表征界面变化过程,并对离子迁移路径进行了模拟和验证.目前,全固态锂硫电池已经有部分投入了商业应用.全固态锂硫电池主要包括含硫正极、锂金属负极和固态电解质,而固态电解质主要分为无机固态电解质和有机固态电解质两大类.因此,对固态电解质界面的研究也可以分为两大类:一类是固态电解质内部界面,包括无机电解质与无机电解质之间的界面或者无机电解质与有机电解质之间的界面,该界面主要对离子电导率有着重要影响;另一类主要包括固态电解质与正负极之间的界面,对电池的化学稳定性、体积稳定性和离子电导率等均存在较大的影响.近年来,研究者发现通过改变混合方法、粒径、多孔基体和体积压力等能够有效改善界面.同时,随着表征技术的发展,越来越多的原位界面表征技术能够更加直观地展现界面的变化状态.本文系统性地阐述了全固态锂硫电池的内、外界面存在的问题和研究现状,并探讨了全固态锂硫电池未来的发展趋势和研究重点,以期为制备稳定、高性能的全固态锂硫电池提供参考.     

锂离子二次电池用全固态聚合物电解质的研究进展

对固体聚合物电解质的发展历程以及对全固态聚合物电解质中的离子传导作了介绍,着重对提高室温电导率的途径进行评述,并结合自己的工作对其存在的问题和今后的发展作出展望.     

可充电的镁/蒙脱石/五氧化二钒固态电池

Mg 蒙脱石作为 Mg~(2+)离子传导的固体电解质应用于可充电的 Mg/V_2O_5固态电池。电池的开路电压(OCV)为2.02±0.05V。电池在50μA 电流下,(电流密度～37.7μAcm~(-2))进行充、放电循环,其放电电压为1.5V,对应的放电容置为1.8mAh,电池进行了15个周期的充、放电循环。最后,对电池的机理进行了讨论。     

全固态Cu~+导体薄膜电池

用电解沉积法在铜电极上制备了 Cu~+导体(CuI-CuCl)固体薄膜,用铜和另一种纯金属做电极,组装成多种双金属电极固体电解质全固态薄膜电池,进行了放电性能研究。当以铜为阳极,分别以 Cr、Ni、Se、Ag、W、Au、Ta、Mo 等金属为阴极时,电池开路电压为0.26～0.42V,其中 Cu-Mo 电池容量>70μWh,比能量>0.05 Wh/cm~3。当以铜为阴极,分别以 Bi、Sn、Fe、Pb、Sb、Zn、Al、Mg 等金属为阳极时,电池开路电压为0.26～1.30V,其中 Mg-Cu 电池容量>1.6mWh,比能量>0.12Wh/cm~2,     

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。     

聚离子液体复合PEO制备高性能全固态聚合物电解质

用化学共沉淀法固态聚合物电解质(SPE)因其独特的安全性能受到越来越多的关注。以聚环氧乙烷(PEO)为基体,通过引入聚离子液体(PIL),制备了一种新型SPE(PIL@PEO SPE)。通过将PIL穿插于PEO链段中,有效降低了PEO的结晶度,提高了SPE的离子电导率(6.63×10^-4 S/cm)。由其制备的固态电池在0.5C,60℃时,Li/LiFePO4电池首次放电容量高达147.6 mAh/g,经过长达300圈充放电循环,容量保留率仍然在90%以上。     

柔性纤维状锂离子电池材料研究进展

针对当前可穿戴电子产品不断发展对柔性供能器件提出的小型化、灵活化以及可弯曲、折叠的要求,介绍了柔性纤维状锂离子电池的结构,总结了近年来柔性纤维状锂离子电池材料及固态电解质材料的研究进展,指出发展安全可靠、适应性强且性能稳定的柔性纤维状锂离子电池材料是未来可穿戴供能器件的发展重点。     

看好全固体电池的发展潜力

在《日经电子》上刊登了“新一代电池走近‘全固体’时代”一文,报道了采用固体电解质取代有机电解液的全固体电池的动向。关注全固体电池,是因为其较高的安全性以及较宽的电位窗,有望大大推动电池的发展。     

原位聚合三维陶瓷骨架增强全固态锂电池电解质

有机/无机复合电解质被认为是全固态锂电池中最具潜力的固态电解质之一, 但由于无机填料易团聚, 通过提高无机填料含量来改善复合电解质的电导率难有成效。此外, 在全固态锂电池中, 电解质和电极之间松散的固-固接触造成过大的界面阻抗, 限制了全固态锂电池的性能。本研究采用固相法合成具有Li⁺连续传输通道的自支撑三维多孔Li_6.4Al_0.1La₃Zr_1.7Ta_0.3O₁₂骨架, 并利用原位聚合的方法构筑一体化电解质/电极固-固界面。此策略指导合成的复合电解质的室温电导率可达1.9×10^-4 S·cm^-1。同时, 一体化的界面使得Li-Li对称电池的界面阻抗从1540 Ω·cm ²降低至449 Ω·cm ², 因此4.3 V(vs. Li⁺/Li)的LiCoO₂|Li全固态锂电池展现出良好的电化学性能。     

全固态薄膜锂离子电池负极和电解质材料的研究进展

全固态薄膜锂离子电池是锂离子电池的最新研究领域,薄膜化的负极、电解质材料是全固态薄膜锂离子电池的重要组成部分.主要对碳基材料、锡基材料、硅基材料,合金等全固态薄膜锂离子电池负极材料和电解质薄膜材料近几年来的研究状况进行了综述,并展望了其发展趋势.     

NASICON型无机固态锂离子电解质的研究进展

无机固体电解质由于其安全性能高,机械强度大等特点在锂离子电池行业潜力巨大,其中NASICON型无机锂离子电解质因电导率较高、稳定性好、种类繁多的优势备受研究者关注。主要从NASICON型锂离子电解质材料的晶体结构、制备工艺和掺杂改性方面综述了其目前的研究进展,对其未来的发展做出展望。     

全固态薄膜锂充电电池的研究进展

全固态薄膜锂充电电池由于安全可靠性强、能量密度大、工作电压高、循环寿命长等诸多优点已经成为微型电子器件匹配电源的良好选择.阴极、阳极、固体电解质材料是全固态薄膜锂充电电池的重要组成部分,对于其开发和研究十分重要.综述了目前应用较多的阴极、阳极及固体电解质材料,并阐述了其物理特性、电化学性能和主要的制备方法;电池结构设计同样影响着整个电池的性能,介绍了电池结构对充放电特性的影响,且展望了其今后的研究热点和发展方向.     

锂离子电池用聚合物固体电解质的研究及展望

聚合物固体电解质是制备高功率密度,高能量密度,长循环寿命的锂离子电池的关键材料之一。本文介绍了聚合物固体电解质的制备及基本性能,论述了不同品种聚合物固体电解质的制备方法,并根据存在的问题,提出发展方向。