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Batteries & Supercaps:基于聚合物基固态电解质的锂金属电池2023-05-04
锂金属具有较高理论容量(3860 mAh g−1)和低氧化还原电位(−3.04 V vs SHE)受到了广泛的关注。然而,传统的电解质充放电过程中会局部过热和热失控等安全问题,固态电解质能有效解这些问题。目前,聚合物基态电解质具有较好的柔性和可加工性已经被广泛应用到固态电池中,但仍然存在电导率低,界面稳定性等问题。

 

 

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Figure1. 聚合物基固态电解质及其改性策略总结

近期,北京科技大学范丽珍教授团队总结了聚合物基固态电解质应用于锂金属电池的最新研究进展和挑战:

(1)聚合物种类及结构分析:综述了不同官能团的聚合物基电解质材料的制备工艺,并且进行分类,总结了其特性和改性策略。以聚环氧乙烷(PEO)为代表的具有醚氧基(EO)和大分子链的聚合物有利于促进锂盐解离,在玻璃相转变温度(Tg)以上具有较高的电导率,但链端的-OH官能团限制了电化学窗口,导致PEO在高电压下不可逆的氧化分解。不饱和刚性键(-CN)作为主链的聚合物,如聚丙烯腈(PAN),可以作为固态电解质膜的自支撑模板,但C=N- Li+的强相互作用导致离子导电率低。PVDF及其衍生物具有良好的力学性能,其特有的介电性质有助于锂盐的分解。马来酸酐(MA,如PMMA)具有−C=C-和酸酐基团,它的锚点可以与其他聚合物或功能性侧链接枝,可以进行多样化的设计。

(2)离子传输动力学:介绍了锂离子在固态电解质中的传导机制,目前,主要由Lewis酸碱相互作用和引入空位两种特殊的方式来改善聚合物的结晶性和锂盐-聚合物的相互作用以促进锂的传导。此外填料的加入主要可以改善聚合物的结晶性,构建锂离子传输路径和连续相路径,建立三维导锂网络。

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Figure 2. 典型聚合物电解质官能团及无机填料

(3)界面稳定性:有机-无机复合固态电解质,多层固态电解质工艺,以及正极材料表面改性等策略解决高压下界面不稳定和电解质氧化失效问题。锂金属界面主要以促进锂的均匀沉积以及提高电解质膜机械性能为主要解决方案,构建动态稳定的SEI层,以抑制金属枝晶生长和裂纹扩展和刺穿,提高锂金属电池的安全性。

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Figure 3:聚合物基固态电解质的界面问题

(4)应用:固体电解质膜通过成膜工艺或直接涂覆将其浇铸到电极表面上,“卷对卷”工艺,固态电池的失效机制和电池的封装工艺等在产业化中也不容忽视。此外,分子动力学和第一性原理等模拟计算可以很好为固态电池中的结构,电场和力场变化提供理论依据。机器学习方法可以高效的筛选新型固态电解质及其参数,以提高效率。

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Figure 4 全固态电池工艺与产业化

综上,聚合物基固态电解质的发展和优化仍需要更进一步地技术迭代,主要包含:新型聚合物结构的设计,固-固界面改善,深度表征的应用和发展,计算模拟的应用和深度算法的开发。

文信息

A Review of Polymer-based Solid-State Electrolytes for Lithium-Metal Batteries: Structure, Kinetic, Interface Stability, and Application

Xiaoxue Zhao, Chao Wang, Hong Liu, Yuhao Liang, Prof. Dr. Li-Zhen Fan

Batteries&Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202200502

 

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