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上海硅酸盐所在新型氟基固态电解质研究方面取得进展

2020-03-16 上海硅酸盐研究所
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  二次电池是现代和未来大规模智能电网、电动汽车和军用电源不可或缺的储能元件,当前的锂离子电池面临着能量密度无法满足电化学储能需求,以及有机电解液可燃和泄露致使存在安全隐患等诸多问题。锂金属电池具有更高的能量密度,但面临着锂负极枝晶生长等问题。固态锂金属电池由于能量密度和安全性的双重潜在优势,是下一代电化学储能体系的研究热点。作为关键组分的固态电解质的性能优劣很大程度上决定了固态电池能否成功运行。传统的氧化物和硫化物固态电解质面临着晶界电阻大、界面易钝化、空气中不稳定以及电化学窗口窄等问题,因此开发新型固态电解质的结构原型作为当前电解质体系的候选甚至替代者,具有迫切而重要的意义。

  氟系固态电解质具有电化学窗口宽(理论预测)、空气稳定性好、阻燃性好、锂枝晶抑制潜力佳、机械加工性能好等优势,然而却面临着室温电导率偏低(室温下为10-6-10-7 S/cm)、成熟的合成方案缺乏等问题。近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李驰麟带领的研究团队在氟基固态电解质方面取得进展,开发出一种纳米复合结构的开框架富锂相氟基固态电解质Li3GaF6,并实现了对固态电池的成功驱动,相关成果发表在国际能源/材料类期刊Energy Storage Mater., 2020, 28, 37-46.上。

  该团队之前分析总结了卤化策略在固态电池和锂金属电池研究中的独特优势(Energy Storage Mater.,14,100-117,2018),针对SEI层中LiF体相导电率低的问题,他们从离子液体中合成富锂相的冰晶石衍生物Li3AlF6(室温电导率高达~10-5 S/cm)作为固态电解质添加剂,成功改善了SEI层的组分,抑制了锂枝晶生长(ACS Appl. Mater. Interfaces,10,34322-34331,2018)。在此基础上,团队继续采用低温离子液体氟化的低能耗合成策略,成功制备了纳米复合结构的富锂氟化物固态电解质Li3GaF6,其特征表现为结构内部具有开放性的离子通道,而且晶粒边界具有离子液体修饰。在电解质片中,离子液体被固化成纳米絮状物,并作为原位粘合剂粘合周围的纳米粒子和整个电解质薄片,阻止电解质片在电化学循环过程中的粉化和碎裂(特别在和电极的接触界面处)。得益于界面处离子输运的增强,优化的Li3GaF6实现了氟系固体电解质的离子电导率的最高记录(室温下接近10-4 S/cm)。固态Li/Li3GaF6/LiFePO4电池在1 C高倍率下可成功运行至少150次循环。这项研究为氟化固态电解质的结构解析、纳米调控以及界面改性等方面提供了重要的科学素材,为固态电池的激活提供了新的思路。

  相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助和支持。

  文章链接

固化离子液体配线加强的高导开框架氟化电解质用于固态锂金属电池

打印 责任编辑:叶瑞优

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