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有效改善全固態(tài)鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性的電解質(zhì)

鉅大LARGE  |  點擊量:2211次  |  2019年03月05日  

鋰硫電池具有高的理論比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg),已受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)液體電解質(zhì)鋰硫電池,普遍存在多硫化物的溶解和鋰負極表面枝晶生長問題,降低了電池循環(huán)壽命和安全性。采用固體電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)則能有效解決上述兩個問題,固體電解質(zhì)能提高電池安全性并能阻止反應過程中多硫化物的溶解。當前,將固體電解質(zhì)應用在鋰硫電池中仍面臨諸多挑戰(zhàn),包括:固體電解質(zhì)室溫離子電導率低、力學性能差,與電極的界面阻抗大、界面穩(wěn)定性不高等。近日,來自北京科技大學的范麗珍教授研究團隊采用溶液澆鑄技術(shù)制備了一種以Polymer-in-salt型雙接枝聚硅氧烷電解質(zhì)為導鋰介質(zhì),乙酸纖維素膜為骨架的兼具優(yōu)良導鋰能力和力學性能的復合固體電解質(zhì)。Polymer-in-salt型電解質(zhì)具有高的離子電導率,乙酸纖維骨架的引入有效提升了復合電解質(zhì)的力學性能。該電解質(zhì)不僅能夠抑制鋰負極表面的枝晶生長,而且可以有效阻止鋰硫電池中多硫化物的溶解和穿梭。以多壁碳納米管包覆的硫材料(MWCNT@S)為正極,組裝的全固態(tài)鋰硫電池具有優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能。該研究成果以“Dendrite-freeLimetaldepositioninall-solid-statelithiumsulfurbatterieswithpolymer-in-saltpolysiloxaneelectrolyte”為題發(fā)表在EnergyStorageMaterials,2018,15:37-45上。

聚硅氧烷基固體電解質(zhì)因其具有柔性高、潤濕性好、電壓窗口寬、易形成穩(wěn)定的電解質(zhì)/電極界面等優(yōu)點,受到了廣泛關(guān)注。但是,聚硅氧烷固體電解質(zhì)存在室溫離子電導率低、機械性能差等缺點。通過對聚硅氧烷基體進行雙接枝結(jié)構(gòu)設計,以及在電解質(zhì)中使用高質(zhì)量分數(shù)的鋰鹽,得到的polymer-in-salt型雙接枝聚硅氧烷(BPSO)電解質(zhì)可以有效提高其離子導電能力。通過溶液澆鑄法,以上述polymer-in-salt型BPSO電解質(zhì)為導鋰介質(zhì),乙酸纖維網(wǎng)絡為剛性骨架開發(fā)的兼顧離子電導和力學性能的新型復合固體電解質(zhì)。該電解質(zhì)的抗拉強度達6.8MPa,且室溫離子電導率為4.0×10^-4S/cm,此外,該電解質(zhì)還具有寬的電壓窗口和良好的熱穩(wěn)定性能。

隨后,作者對該復合固體電解質(zhì)在抑制鋰枝晶生長和多硫化物溶解方面的性能進行研究。對比液體電解質(zhì),采用復合固體電解質(zhì)的對稱鋰電池和全固態(tài)鋰硫電池在整個測試范圍內(nèi)電池的循環(huán)穩(wěn)定性都明顯提高,循環(huán)后的鋰片表面光滑,無枝晶生長,且與鋰負極接觸一側(cè)的電解質(zhì)膜顏色無明顯變化,多硫化物的穿梭效應能夠得到有效抑制。

圖1.溶液澆鑄法制備復合固體電解質(zhì)的示意圖。

圖2.固體電解質(zhì)膜的電化學、力學和熱性能;(a)添加CA膜前后,電解質(zhì)的力學拉伸性能對比,(b)添加CA膜前后,電解質(zhì)的離子電導率隨溫度變化曲線,(c)固體電解質(zhì)的電化學窗口,(d)添加CA膜前后,電解質(zhì)的熱重曲線對比。

圖3.室溫下,復合固體電解質(zhì)與金屬鋰的電化學穩(wěn)定性;(a)Li|(BPSO-150%LiTFSI)-10%PVDF+CA|Li電池在靜置不同時間后的阻抗譜圖,(b)不同鋰鹽含量的復合固體電解質(zhì)組裝的對稱鋰電池在靜置不同時間后的阻抗變化曲線,(c)以(BPSO-150%LiTFSI)-10%PVDF+CA和液體電解質(zhì)分別組裝的對稱鋰電池的恒流充放電曲線。

圖4.對稱鋰電池循環(huán)中鋰沉積/剝離行為示意圖;(a)Li|Liquidelectrolyte+Celgardseparator|Li電池的鋰離子沉積/剝離行為,(b)Li|(BPSO-150%LiTFSI)-10%PVDF+CA|Li電池的鋰離子沉積/剝離行為,(c)Li|Liquidelectrolyte+Celgardseparator|Li電池循環(huán)300h后的鋰片表面SEM圖,(d)Li|(BPSO-150%LiTFSI)-10%PVDF+CA|Li電池循環(huán)300h后鋰片表面SEM圖。

圖5.室溫下,全固態(tài)MWCNT@S|(BPSO-150%LiTFSI)-10%PVDF+CA|Li電池性能;(a)電池倍率性能;(b)(BPSO-150%LiTFSI)-10%PVDF+CA和液體電解質(zhì)分別組裝的電池在恒流充放電的容量和庫倫效率對比圖,(c)電池循環(huán)后,(BPSO-150%LiTFSI)-10%PVDF+CA與鋰負極接觸側(cè)的光學照片,(d)電池循環(huán)后,Celgardseparator與鋰負極接觸側(cè)的光學照片;(e)柔性軟包鋰硫電池點亮LED燈。

材料制備過程表述:

復合固體電解質(zhì)的制備:將一定比例的雙接枝聚硅氧烷(BPSO)、LiTFSI和少量聚偏氟乙烯溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中,充分混合后直接澆鑄在乙酸纖維素膜上,120°C下干燥12h和真空干燥12h后,得到厚度約為200μm的復合固體電解質(zhì)膜。該電解質(zhì)膜可表示為:90%(BPSO-x%LiTFSI)-10%PVDF+CA(x=0.3,0.5…1.5,2)。

致謝部分:

本成果在國家自然科學基金重點項目(51532002)、北京市自然基金-海淀聯(lián)合原始創(chuàng)新基金重點項目(L172023)和科技部重大研發(fā)計劃(2015CB932500)的資助下完成。本研究工作的作者為陳龍和范麗珍。

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