王中林院士团队Nano energy:混合电解质膜用于固态锂离子电池

【引言】

 能源危机与环境污染日益严重，急需发展清洁和有效的能源储存设备。在众多的能源储存设备中，锂离子电池由于具有高的体积和质量能量密度而受到广泛的关注。然而，目前基于插层材料的锂离子电池不能满足在长距离（例如大于300 km）运输的要求，易燃的液态电解质存在着诸多的安全隐患。因此，具有高能量密度的、长期稳定性且安全的固相锂离子电池的需求越来越大。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙春文教授、王中林院士（共同通讯）等人在Nano Energy上发表了一篇名为“A Durable and Safe Solid-State Lithium Battery with a Hybrid Electrolyte Membrane”的文章。研究人员首次利用基于Li₇La₃Zr₂O₁₂ 混合固态电解质来设计高性能的固相锂离子电池，混合电解质膜由Li₇La₃Zr₂O₁₂ 和PVDF-HFP 聚合矩阵组成。基于混合电解质膜的固相锂离子电池，在室温下，充放电电流密度为0.5 C时拥有120 mA h g^-1的原始可逆放电容量，而且能高效地储存高频率输出的脉冲能量。

【图文导读】

图1.混合固态电解质膜的性质

a.20 μL液体电解质浸润过与无浸润的混合固态电解质膜温度与离子传导性的趋势。

b.纯PVDF-HFP电解质与混合固态电解质的线性扫描伏安图的对比。

c.10 mV直流电压后的i-t图，用来评估锂离子转移数量。插图为极化前后的电化学阻抗图。

d.PVDF-HFP︱Li₇La₃Zr₂O₁₂混合固态电解质与纯的PVDF-HFP电解质的TGA结果对比，说明电解质的稳定性。

图2. LiFePO₄为正极，锂金属为负极测试混合固态电解质的性能

a.不同电流密度下，固态锂电池的原始充放电曲线。

b.固态锂离子电池在电压范围0-3.8 V下的比容量。

c.在0.5 C倍率下的长循环性能测试：放电容量和库伦效率与循环次数的关系。

d.固态锂离子电池在不同电流密度（0.05、0.1、0.2 mA cm^-2）下嵌锂/脱锂循环电压图。

图3.固态锂离子电池储能性能表征

a.固态锂离子电池储存由摩擦纳米发电机产生的脉冲能量的原理图。

b.摩擦纳米发电机在不同旋转速度下的输出电流。

c.摩擦纳米发电机在不同旋转速度下及40 μA时固态锂离子电池的充放电曲线。

d.固态锂离子电池在原始、30次循环及经摩擦纳米发电机充电后的电化学阻抗图谱。

【小结】

     本项研究工作展示了混合固态电解质膜的合成工艺，以及在电子传导性、电化学窗口、热稳定性等性能上得到了提升，达到了多需求的柔性固态锂离子电池的要求。该固态锂离子电池在倍率为0.5C时，循环180次后依然保持持110 mA h g^-1 的容量，而且混合固态电解质对柔性锂离子电池至关重要。固态锂离子电池可用于摩擦纳米发电机的能量储存，对于这种高频率的脉冲输出具有独特的优势。高稳定性且安全的固态锂离子电池与摩擦纳米发电机结合有望提供持续稳定的功率输出。

【文献链接】A Durable and Safe Solid-State Lithium Battery with a Hybrid Electrolyte Membrane（Nano Energy，2018，DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.01.028）

本文由材料人编辑部新人组雷航供稿，黄超审核。

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