高比能长寿命锂离子电池电极/电解质界面修饰与调控

高能量密度、长寿命及高安全等性能是锂离子电池研究持续追求的目标和发展方向.电极/电解质界面稳定性是制约高比能量长寿命锂离子电池实用化的关键因素.本文针对发展高电压/高能量密度电池体系所面临的挑战,重点总结回顾了本研究团队在过去15年里在正极/电解液界面调控、负极/电解液界面调控、高安全阻燃电解液技术开发,以及固体电解质的结构/界面稳定性调控方面的若干探索性研究工作,并提出了高电压、高安全液体电解液技术和固态电解质及其界面研究为未来该领域的研究重点.     

PEO基聚合物电解质在锂离子电池中的研究进展

聚合物固态电解质是解决目前商用锂离子电池安全问题的一个有效途径,其中,聚环氧乙烷(PEO)最早被提出用作聚合物电解质.因其具有良好的机械性能、电化学稳定性与热稳定性,在几十年的聚合物固态电解质的研究过程中一直是被关注的热点,但常温下低的离子电导率限制了其实际应用.本文从PEO基聚合物电解质所存在的问题出发,分别介绍了几种提高离子电导率的方法,对其研究进展进行了综述,最后总结了PEO基聚合物电解质在锂离子电池中的应用,并对未来的发展方向进行了展望.     

PVC为基凝胶电解质薄膜

具有高离子电导率的固体电解质是全固态电池、电化学器件和传感器的关键材料.但是,由锂盐和长链聚合物基体构成的一类常规 Li~+传导聚合物电解质,其室温离子电导率却非常低(10~(-9)～10~(-5)S/cm).例如,最常见的(PEO)_8.·LiClO-4.在298K时离子电导率只有10~(-7)S/cm.因此,利用这类材料的全固态锂电池只有工作在323～373K时,才能提供高能量、大功率和长寿命.显然,这是不利于实际应用的.从实用的角度看,若使全固态锂电池在室温条件下有效地工作,则要求固体电解质的室温离子电导率必须达到10~(-3)S/cm.目前,提高聚合物电解质室温离子电导率的方法有:改进现有的PEO-LiX体系、研制复     

高电压正极材料在全固态锂离子电池中的应用展望

全固态锂离子电池是以固态电解质取代液体电解质的锂离子电池、它有望从根本上解决电池的安全性问题,如能实现其大容量化和长寿命,将在电动汽车和规模化储能领域具有非常广阔的应用前景.由于固态电解质比液态电解质有更宽的工作电位窗口,因此可以在全固态电池中使用具有较高电压平台的正极材料,通过提升电池的工作电压以获得高能量密度,从而实现大容量化.锂离子电池正极材料尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4,三元层状材料和富锂锰基正极材料都具有较高的电压平台,是全固态锂离子电池可选用的理想正极材料.本文介绍了尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4,三元层状材料和富锂锰基正极材料的结构和性能特点,重点阐述了与改善材料的电导率和界面性质相关的的研究,改善其作为全固态锂离子电池正极材料与固态电解质的匹配性能,从而全面提升全固态电池的性能.总结了3种材料在全固态锂离子电池中应用存在的问题,提出未来的技术攻关方向,并对其在全固态电池中的应用前景进行了展望.     

硝酸钾-氧化铝复合固体电解质在中温区的离子和质子导电性

自 1973年 Liang发现固体电解质的“复合效应”以来,人们相继对许多复合体系进行了研究.复合固体电解质可看成是一个两相混合体,即电导率不太高的离子导体相和高度弥散的绝缘体(如Al_2O_3).复合体的离子电导率常常因复合效应而大大增强.业已提出一些唯象模型来解释这种复合效应,比较典型的是所谓空间电荷层模型,认为离子导体相与绝缘体相之间存在着原子或离子相互作用,从而在两相界面处产生附加缺陷浓度,形成一高电导的空间电荷层.然而有关复合效应的机理目前仍处于定性认识阶段.尽管如此,现已发现某些复合固体电解质可用做中温固体燃料电池、传感器等器件的新型固体电解质材料.例如,已发现Li_2SO_4-Al_2O_3,RbNO_3-Al_2O_3,CsNO_3-Al_2O_3等复合材料在中温区具有相当高的离子电导率;在含氢的环境(如氢浓差电池或氢-氧燃料电池)中质子电导率可达10~(-2)Ω~(-1)·cm~(-1)量级.在原理性燃料电池的实验研究中,用这些材料做固体电解质时,已显示出相当好的放电性能.本文报道关于硝酸钾-氧化铝复合固体电解质材料的结构以及在中温区的离子和质子导电性的研究.1 实验     

染料敏化太阳能电池中聚合物电解质的优化

用纳晶TiO₂及离子液体1-甲基-3-丙基咪唑碘盐两种功能添加剂对PEO聚合物准固态电解质进行优化, 提高了电池的光电性能. 用(PEO)₈︰LiI︰TiO₂︰IE︰I₂ = 3︰3︰3︰7︰1(摩尔比)的电解质组装电池, 在100 mW/cm²光强下电池光电转换效率达到3.2%, 与无功能添加剂的电解质相比, 光电转换效率提高8倍. 电解质体系的电导率研究表明, 电池光电性能的提高与体系电导率的增大密切相关.     

无纺布支撑聚合物凝胶电解质锂离子电池

PVDF-HFP是制备聚合物电解质膜最常用的聚合物之一, 它具有成膜性好, 电化学性能优良等特点. 纳米SiO₂粒子均匀地分散在聚合物电解质膜中可以提高膜的孔隙率, 有利于提高聚合物电解质膜的离子电导率和电化学性能. 本文将无纺布在PVDF-HFP/SiO₂/丁酮/丁醇/增塑剂混合液中浸渍后, 真空干燥除去增塑剂制得多孔的无纺布支撑聚合物电解质复合膜, 并以其为隔膜组装聚合物锂离子电池(LiCoO₂/无纺布聚合物复合膜/MCMB), 对其电化学性能进行了表征. 研究结果表明, 无纺布聚合物复合膜具有一定的机械强度和良好的电化学性能. 室温下无纺布聚合物复合膜的离子电导率为3.35×10^-4 S/cm, 约相当于同样条件下普通隔膜的60%; 其电化学稳定窗口为4.8 V vs. Li⁺/Li. 使用无纺布聚合物复合膜组装的聚合物锂离子电池具有良好的倍率放电特性及充放电循环性能.     

甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸共聚物/聚氧化乙烯氢键复合物-LiClO_4体系离子电导的研究

固体电解质,或称快离子导体,是指在固态时具有熔盐或液体电解质的离子电导性的一类材料。高分子固体电解质,由于其成膜性好,易于加工,粘弹性好,能适应电池充放电过程中电极体积的变化,同时有较好的化学稳定性,因而被认为是发展全固态高能锂电池的理想电解质材料。在高分子快离子导体的母体材料中,研究最多的是聚氧化乙烯(PEO)。因为离子电导     

一种新型的准固态电解质在染料敏化太阳能电池中的应用

用梳状的熔盐型聚合物固化含有机溶剂(如: 乙烯碳酸酯与丙烯碳酸酯混合物、三甲氧基丙腈、N-甲基 烷二酮)的液态电解质, 制备出一种新型的准固态电解质, 并应用于染料敏化太阳能电池中. 通过调节电解质中聚合物的含量, 优化了电解质的各种物理化学性能及组装电池的光电化学参数, 获得了这种新型准固态电解质的最佳组成配方, 准固态电池的光电转换效率达到6.58%(光强100 mW·cm^-2, AM 1.5). 聚合物的加入使电解质由液态转变为准固态, 抑制了有机溶剂的挥发, 提高了染料敏化太阳能电池的稳定性.     

锂离子电池无机固体电解质的计算

利用高通量计算来挖掘材料基因是加速材料研发的有效手段。利用第一性原理对目标材料进行精确计算,可以得到晶体结构、电子结构、缺陷、相图与相变、离子/电子输运机制等信息。通过综述锂离子电池无机固体电解质材料的计算研究进展,展望了计算在高电导率、宽电化学窗口且与正负极匹配的固体电解质材料的高效优化、选取和设计方面的应用前景。     

锂金属负极固体电解质界面膜的理解与改性策略

锂金属负极因具有较高的比容量和较低的电极电势,被认为是最有发展前景的电池负极材料之一.然而,不稳定的锂金属负极固体电解质界面膜和严重的锂枝晶生长问题限制了锂金属负极的实际应用.认识和理解锂金属负极固体电解质界面膜的组成与结构,并将其与锂金属生长行为建立有效的关联,是解决锂金属负极不稳定问题的关键.本文综述了近年来有关锂金属负极固体电解质界面膜的表征技术和调控策略,并介绍了锂金属软包电池的界面研究现状.本文对锂金属负极的实际应用具有一定的指导意义.     

PEO-LiClO4-ZSM5复合聚合物电解质的电化学研究

以催化领域广泛使用的微孔“择形”分子筛ZSM5为填料, 通过溶液浇铸法制得PEO-LiClO4-LiZSM5全固态复合聚合物电解质膜. 实验表明LiZSM5的引入可以显著地提高体系的离子电导率, 25℃时PEO₁₀-LiClO₄-10%LiZSM5的离子电导率达到1.4×10^-5 S·cm^-1. 利用交流阻抗-稳态电流相结合的方法对体系的锂离子迁移数进行了测定, 表明掺入LiZSM5后锂离子迁移数明显升高. 电化学稳定窗口实验表明PEO-LiClO₄-LiZSM5复合聚合物电解质在全固态锂离子二次电池领域具有良好的应用前景.     

固态电解质Li3PS4晶相结构转变

硫化物Li₃PS₄是重要的含硫快离子导体,锂离子电导率高,机械性能优异,化学兼容性好,属于全固态电池中一类重要的固态电解质.Li₃PS₄具有多种晶体结构（玻璃态、α相、β相、γ相）,而晶体结构对于材料离子电导率有决定性的影响,因此探究不同Li₃PS₄晶体结构的合成条件及其转变过程对固态电解质的应用有重要意义.本文通过原位变温Raman和室温X射线衍射（XRD）分析发现,通过球磨法所得glass-Li₃PS₄在首次升温过程中（240℃）优先转变为亚稳态的β-Li₃PS₄,此时冷却到室温能保持β相结构,并具有较高的离子电导率(0.65 mS cm^–1).当烧结温度继续升高（>480℃）,β相会转变为离子电导率更高但热力学不稳定的α-Li₃PS₄,在后续的降温过程中,α相会直接转变为热力学更稳定但离子电导...     

锂硫电池综合性能协同提升策略

锂硫电池具有高比能、低成本、环境友好等优点,是最具发展潜力的下一代二次电池体系之一.受限于硫的本征绝缘性、多硫化锂的穿梭效应、界面副反应、锂枝晶生长等问题,锂硫电池的商业化应用还面临着诸多挑战.本文结合本课题组近年来在锂硫电池领域的相关研究进展,提出了硫正极反应机制的调控、电极结构设计、电解质改性优化策略,实现了锂硫电池综合性能的协同提升;最后对锂硫电池的发展进行了展望.     

有机-无机杂化P123-em-SBA15对复合聚合物电解质中锂离子迁移性能的影响

以含有模板剂(EO₂₀PO₇₀EO₂₀, P123)的介孔SBA-15(P123-em-SBA15)为填料, 通过溶液浇铸法制得PEO-LiClO₄-P123-em-SBA15全固态复合聚合物电解质. 实验表明, P123-em-SBA15可能通过其特有的拓扑结构而大幅度提高复合聚合物电解质的锂离子迁移数. 另外P123-em-SBA15还可以使体系的室温离子电导率提高两个数量级以上. 优良的锂迁移性能表明PEO-LiClO₄-P123-em-SBA15复合聚合物电解质在全固态锂离子二次电池领域具有良好的应用前景.     

PVDF-PEO微孔聚合物电解质的研究

自Wright等[1]在1973年发现聚氧化乙烯(PEO)/碱金属盐的络合物具有离子导电能力以来, 人们对不同类型的聚合物电解质进行了深入的研究, 并致力于用其代替锂离子电池中的液体电解质[2,3]. 目前聚合物电解质的种类主要包括干态聚合物电解质、凝胶聚合物电解质和微孔型聚合物电解质三类, 但从产业化的角度来看, 微孔型聚合物电解质具有很大的研究价值和应用前景. 美国Bellcore公司于1994年开发出聚偏氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-HFP)共聚物多孔薄膜, 吸附电解液后具有较高的电导率和良好的机械性能, 遗憾的是制备过程中须要用丙酮等溶剂萃取抽提制孔剂邻苯二甲酸二丁酯(DBP), 给规模化生产带来不利. 目前对微孔型聚合物电解质研究较多的主要为含氟聚合物体系, 如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-HFP))共聚物等[3~11]. 本文以相转变的方法(将聚合物溶解在挥发性溶剂和高沸点非溶剂中, 然后置于一定温度和气氛环境下, 挥发性溶剂先挥发, 高沸点非溶剂和高聚合物体系发生相分离而得到微孔结构)制备了PVDF与PEO共混体系(PVDF-PEO)微孔型聚合物电解质膜, 研究表明PEO的引入能够非常显著地改善体系的微孔结构(如孔径、孔隙率、孔的连通性等), 从而大幅度提高PVDF-PEO微孔型聚合物电解质的室温离子电导率, 而且实验方法简单, 无需抽提制孔剂.     

一种新型微孔聚合物电解质的制备与表征

以介孔分子筛SBA-15为填料, 探索出一种无需使用增塑剂制备微孔型聚合物电解质的新方法. 当SBA-15︰PVdF-HFP(偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)=3︰8时, 所制备的复合固体聚合物电解质(CSPE)室温电导率达0.30 mS·cm^-1. 红外透射光谱显示, 成膜液中溶剂分子和SBA-15分子筛之间的相互作用所引发的相分离导致微孔的形成. X射线衍射(XRD)结果表明, SBA-15分子筛的加入, 降低了聚合物电解质的结晶度, 而SBA-15分子筛仍保持原有的骨架结构. 所组装的Li/CSPE/MCF电池具有较为平稳的充放电平台, 首次循环的库仑效率约为85.0%, 经过20次循环后, 容量保持率为94.0%.     

全固态镁电池

全固态电池是快离子导体应用的一个重要领域。近年来,全固态电池的研究主要集中在以Li~+快离子导体为固体电解质的全固态锂电池上。然而,镁及其化合物价格低廉,具有相当负的电极电位和较高的电价,并且在一些化     

膨胀负极的力学强化:“厚密”硅-碳电极新策略

正随着人工智能时代的来临,消费电子器件便携性要求的提高以及电动汽车使用空间的限制,使锂离子电池的发展面临"空间焦虑",即体积能量密度已成为锂离子电池发展的当务之急.高(质量、体积)比容量的硅基负极是最有潜力部分取代商用石墨的锂离子电池用新一代负极材料,但在嵌锂过程中会发生巨大的体积膨胀,导致固态电解质界面(SEI)破裂及电极粉化等问题,使得容量迅速衰减.     

固态离子学与能源

引言固态离子学是近十几年来新兴起来的一门边缘学科,它是研究与固体中离子迁移有关的理论、材料、应用等问题.涉及固体化学、固体物理、材料科学等领域,并和固体电化学结下了不解之缘。固态离子学的产生,是由于发现了一类其电导率