Angew. Chem. :原位聚合1,3-二氧戊環電解質直接集成固態鋰電池

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鋰電池在電子設備和電動汽車領域應用迅速增長,但使用揮發性和易燃性液態電解質使其安全問題頻發,采用固態電解質(SSEs)可顯著提升鋰電池安全性能。近年來SSEs研究取得較大進展,然而由于組成電極的多相接觸使其內部固-固相間接觸不良,導致電池能量密度、倍率性能及循環性能提升受限。此外,傳統電極中還需要添加導電劑和粘結劑,如果電極中的粘結劑將活性物質與導電劑或SSE隔離,則電子和離子傳輸受阻,電池充電/放電性能惡化。


近日,江西理工大學劉先斌、吳子平和華中科技大學夏寶玉課題組開發了簡單原位聚合1, 3-二氧戊環(DOL)形成固態電解質,以碳納米管(CNTs)網絡固定活性物質構建電子導電框架,實現了具有互連電子和離子導電通道的高性能固態鋰電池。



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圖1.集成鋰電池流程和SSE聚合機理。

通過SSE直接集成鋰電池如圖1所示。通過將正極、隔膜和負極用SSE緊密結合在一起。CNTs網絡作為粘合劑、導電劑和集流體固定活性物質,活性物質載量在電極中可達30 mg cm-2。由于CNTs固定的活性物質和SSE前驅體間潤濕良好,具有低粘度的液態前驅體迅速滲透到電極中,在SSE聚合后,整個電極內物質被直接固定集成,可實現電子/離子在連續致密界面的傳輸。

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圖2.集成電極的內部形態及電子離子傳輸性能

電極內活性物質顆粒被CNTs三維網絡緊緊裹住,SSE包覆在CNTs網絡結構外,形成了CNTs和SSE雙包覆結構(圖2)。因此,電子可通過CNTs的連接在活性物質間快速轉移,離子可從致密的SSE骨架傳遞到活性物質表面。導電原子力顯微鏡(CAFM)對電極電導率進行了評估,集成后電極中顆粒相互連接,呈現出4.5 Ω sq-1的方塊電阻,電極的鋰離子擴散系數高于10-11 cm-2 s-1,從而顯示出較好的電子和離子傳輸效果。

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圖3.鋰箔為負極時集成電池的性能

通過該法以鋰箔為負極組裝的電池具有穩定循環性能,庫倫效率達99.8%,具有2.3 mAh cm-2的面容量和242 Wh Kg-1的能量密度。獲得的電池具有穩定的極化電壓和低電荷傳輸阻抗,因而在10 C倍率下依然有99.6 mAh g-1的長循環放電比容量,復合電極在負載19.4 mg cm-2 磷酸鐵鋰(LFP)時能保持很好的安全性能,即使在電池裁剪或針刺后依然能穩定工作。

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圖5.集成電極組成及其結構模擬計算分析

為了理清電池優異電化學行為的原因,作者通過對集成的電極進行了微米級X射線計算機斷層掃描(micro-CT),結果表明,電極中CNTs、LFP和PDL體積分數分別為26.9 %、39.7 %和30.3 %,集成電極中的孔隙率僅為3.1 %,說明大多數孔隙和空隙可被SSE占據;通過COMSOL Multiphysics基于重建的三維圖像也說明了其快速的電子和離子傳輸能力;此外,作者還計算了DOL和三氟甲磺酸鋁在CNTs和LFP吸附下發生聚合反應的能量變化。結果表明集成電極具有優異的電化學反應動力學。


該團隊提出的構建具有互連導電界面的直接集成固態電池,可使CNTs、SSE和活性物質間實現致密接觸,減少電極內部復雜界面,提高電子和離子轉移的效率。因此,獲得了高能量密度、高倍率性能和長壽命且安全的鋰電池,該工作為提高固態電池內部的電化學反應提供了一種新思路。

文信息

In-situ Polymerized 1, 3-Dioxolane Electrolyte for Integrated Solid-State Lithium Batteries

Ye Qian Mi, Wei Deng, Chaohui He, Prof.?Dr. Osman Eksik, Yi Ping Zheng, De Kun Yao, Dr. Xian Bin Liu, Yan Hong Yin, Ye Sheng Li, Prof.?Dr. Bao Yu Xia, Prof.?Dr. Zi Ping Wu

文章的第一作者是江西理工大學碩士研究生米燁芊。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202218621




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