上海硅酸鹽所開(kāi)發(fā)出新型納米復合結構氟基固態(tài)電解質(zhì)
發(fā)布時(shí)間：2020-03-18 11:19:53
二次電池是現代和未來(lái)大規模智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)和軍用電源不可或缺的儲能元件，當前的鋰離子電池面臨著(zhù)能量密度無(wú)法滿(mǎn)足電化學(xué)儲能需求，以及有機電解液可燃和泄漏致使存在安全隱患等諸多問(wèn)題。鋰金屬電池具有更高的能量密度，但面臨著(zhù)鋰負極枝晶生長(cháng)等問(wèn)題。固態(tài)鋰金屬電池由于能量密度和安全性的雙重潛在優(yōu)勢，是下一代電化學(xué)儲能體系的研究熱點(diǎn)。作為關(guān)鍵組分的固態(tài)電解質(zhì)的性能優(yōu)劣很大程度上決定了固態(tài)電池能否成功運行。傳統的氧化物和硫化物固態(tài)電解質(zhì)面臨著(zhù)晶界電阻大、界面易鈍化、空氣中不穩定以及電化學(xué)窗口窄等問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)新型固態(tài)電解質(zhì)的結構原型作為當前電解質(zhì)體系的候選甚至替代者，具有迫切而重要的意義。氟系固態(tài)電解質(zhì)具有電化學(xué)窗口寬（理論預測）、空氣穩定性好、阻燃性好、鋰枝晶抑制潛力佳、機械加工性能好等優(yōu)勢，然而卻面臨著(zhù)室溫電導率偏低（室溫下為10-6-10-7 S/cm）、成熟的合成方案缺乏等問(wèn)題。近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領(lǐng)的研究團隊在氟基固態(tài)電解質(zhì)方面取得進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出一種納米復合結構的開(kāi)框架富鋰相氟基固態(tài)電解質(zhì)Li3GaF6，并實(shí)現了對固態(tài)電池的成功驅動(dòng)，相關(guān)成果發(fā)表在國際能源/材料類(lèi)期刊Energy Storage Mater., 2020, 28, 37-46.上。該團隊之前分析總結了鹵化策略在固態(tài)電池和鋰金屬電池研究中的獨特優(yōu)勢（Energy Storage Mater.,14,100-117,2018），針對SEI層中LiF體相導電率低的問(wèn)題，他們從離子液體中合成富鋰相的冰晶石衍生物L(fēng)i3AlF6（室溫電導率高達~10-5 S/cm）作為固態(tài)電解質(zhì)添加劑，成功改善了SEI層的組分，抑制了鋰枝晶生長(cháng)（ACS Appl. Mater. Interfaces,10,34322-34331,2018）。在此基礎上，團隊繼續采用低溫離子液體氟化的低能耗合成策略，成功制備了納米復合結構的富鋰氟化物固態(tài)電解質(zhì)Li3GaF6，其特征表現為結構內部具有開(kāi)放性的離子通道，而且晶粒邊界具有離子液體修飾。在電解質(zhì)片中，離子液體被固化成納米絮狀物，并作為原位粘合劑粘合周?chē)募{米粒子和整個(gè)電解質(zhì)薄片，阻止電解質(zhì)片在電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中的粉化和碎裂（特別在和電極的接觸界面處）。得益于界面處離子輸運的增強，優(yōu)化的Li3GaF6實(shí)現了氟系固體電解質(zhì)的離子電導率的最高記錄（室溫下接近10-4 S/cm）。固態(tài)Li/Li3GaF6/LiFePO4電池在1 C高倍率下可成功運行至少150次循環(huán)。這項研究為氟化固態(tài)電解質(zhì)的結構解析、納米調控以及界面改性等方面提供了重要的科學(xué)素材，為固態(tài)電池的激活提供了新的思路。
