中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：全固態(tài)鋰電池具有安全性能高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已成為新型化學(xué)電源領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。固體電解質(zhì)材料的選擇已成為全固態(tài)鋰電池走向應(yīng)用的材料瓶頸，有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合固體薄膜電解質(zhì)由于具有良好的柔韌性、界面兼容性、適于卷對(duì)卷大面積制備等特點(diǎn)越來(lái)越受到關(guān)注。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所固態(tài)鋰電池團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在該研究方向取得了系列研究進(jìn)展。
團(tuán)隊(duì)科研人員首次將具有超高鋰離子電導(dǎo)率的三元硫化物L(fēng)i10GeP2S12 (LGPS)與聚氧化乙烯(PEO)鋰鹽體系進(jìn)行復(fù)合，制備得到固體薄膜電解質(zhì)材料。該電解質(zhì)柔性可彎曲且膜厚可調(diào)，其室溫電導(dǎo)率達(dá)到1.18×10?5Scm?1，比傳統(tǒng)的PEO基電解質(zhì)提高1個(gè)數(shù)量級(jí)，電化學(xué)窗口達(dá)到5.7V，大大拓寬正極材料的選擇范圍，同時(shí)展現(xiàn)出比較好的對(duì)金屬鋰穩(wěn)定性。由該電解質(zhì)構(gòu)建的全固態(tài)鋰電池LiFePO4/Li 在60oC，0.5C條件下，循環(huán)50周后電池容量保持率高達(dá)92.5%（圖1）。在此基礎(chǔ)上，科研人員采用琥珀腈對(duì)該電解質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)行性能優(yōu)化，改性后，其材料的室溫鋰離子電導(dǎo)率提高至~10?4Scm?1 (圖2)，使得由其構(gòu)建的全固態(tài)鋰電池LiFePO4/Li在40oC條件下就能實(shí)現(xiàn)正常充放電工作，而文獻(xiàn)報(bào)道的該體系電池常規(guī)工作溫度為80oC。
由于硫化物固體電解質(zhì)材料對(duì)處理及加工的環(huán)境比較敏感，采用空氣穩(wěn)定性更優(yōu)的氧化物類固體電解質(zhì)Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP)與PEO復(fù)合，制備得到有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合固體薄膜電解質(zhì)（圖3），雖然在離子導(dǎo)電特性方面會(huì)有所降低，但是更加容易實(shí)現(xiàn)低成本大面積制備加工。
另外，在開(kāi)發(fā)新型聚合物電解質(zhì)材料體系方面，科研人員采用一步法便捷地制備了一種結(jié)構(gòu)可控的新型交聯(lián)聚合物電解質(zhì)。該新型固體薄膜電解質(zhì)表現(xiàn)出極高的鋰離子電導(dǎo)率（1.10×10-4Scm-1@30oC）、寬的電化學(xué)窗口（5.4V）、良好的機(jī)械性能和對(duì)金屬鋰穩(wěn)定性。固體電解質(zhì)材料的部分關(guān)鍵性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。由其構(gòu)建的全固態(tài)鋰電池LiFePO4/Li在60oC，0.2C條件下充放電循環(huán)100周后，容量保持率仍高達(dá)90.6%，庫(kù)倫效率接近100% (圖4)。
以上相關(guān)研究成果陸續(xù)發(fā)表于J. Power Sources, 2016, 301, 47-53; Electrochim. Acta, 2016, 210, 905-914; Solid State Ion., 2016, 295, 65-75; J. Power Sources, 2016, 331, 322-331。并已申請(qǐng)三項(xiàng)發(fā)明專利(CN 201511033107.7; CN 201610662266.1; CN 201610696494.0)。
上述研究工作得到了中科院納米先導(dǎo)專項(xiàng)(XDA09010201)、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃，2013AA050906)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51172250)等項(xiàng)目的支持。
圖1 全固態(tài)電池LiFePO4/Li循環(huán)曲線
圖2 不同SN含量修飾的電解質(zhì)的電導(dǎo)率隨溫度變化曲線圖
圖3 固體薄膜電解質(zhì)形貌及電鏡照片(PEO-20%LAGP體系)
圖4 全固態(tài)電池LiFePO4/Li 循環(huán)曲線(新型電解質(zhì): TMPEG-NPEG4K[2:1]-16:1)
