1 1.东华大学 材料科学与工程学院 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
2 2.同济大学 材料科学与工程学院 车用新能源研究院, 上海 201804
锂金属具有理论比容量高、还原电位低及储量高等优势, 是高能量密度锂离子电池的理想负极材料之一。然而, 传统的液态电解质与锂金属的不相容性极大地限制了其应用。本研究采用原位聚合的方法, 开发了一种与锂金属负极相容性良好的凝胶复合电解质(Gel Complex Electrolyte, GCE)。向该电解质中引入的双锂盐体系可与聚合物组分共同作用, 拓宽了电解质的电化学窗口(5.26 V, 商用电解液的电化学窗口为3.92 V), 并能够获得较高的离子电导率(30 ℃, 1×10-3 S·cm-1)。锂金属负极表面的形貌表征及元素分析结果显示, 在双锂盐体系的作用下, GCE表现出对锂金属明显的保护效果, 锂金属负极的体积效应及枝晶生长得到了明显抑制。同时, 匹配商业磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料组装的锂金属全电池也展现出优异的循环稳定性和良好的倍率性能, 在25 ℃下以0.2C(1C=0.67 mA·cm-2)的恒定电流循环200圈后, 容量保持率可以达到92.95%。研究表明, 该GCE能有效提高锂金属电池的安全稳定性以及综合的电化学性能, 有望提供一种普适化的准固态电解质设计策略。
锂金属 原位聚合 凝胶复合电解质 metallic Li in-situ polymerization gel complex electrolyte
高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的低温化对于解决材料的稳定性、提高系统运行寿命和降低电池成本具有重要的意义，已成为近几年的研发热点。在实现SOFC低温化方面，目前国内外研究学者提出了不同的解决策略。综述了低温固体氧化物燃料电池(LT-SOFC)中复合电解质的研究进展，其包括引入碳酸盐材料作为第二相进行复合，构建类熔融碳酸盐固体氧化物燃料电池；引入过渡金属氧化物材料作为第二相进行复合，制备单组分燃料电池消除电极与电解质界面电阻提高电池性能，尤其是全氧化物复合电解质提高电池稳定性策略；引入半导体材料复合进一步提升LT-SOFC的电化学性能等几个方面。最后阐述了通过制备新型纳米复合材料进一步提升电解质离子电导率，改善界面接触问题以及探索新的电极材料对LT-SOFC电化学性能的影响。
固体氧化物燃料电池 低温化 复合电解质 纳米材料 solid oxide fuel cell low temperature composite electrolyte nanomaterials
1 纳米清洁能源中心，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004
采用溶液浇筑法结合热压法制备了复合固态电解质，将Na-β-Al2O3和g-C3N4无机颗粒加入到聚氧化乙烯和聚己内酯共混聚合物中得到复合电解质，结合物相表征和电化学测试研究了复合电解质性能。通过优化各组分特别是g-C3N4的质量比例，聚合物复合电解质获得了在室温下较高的离子电导率、宽的电化学稳定窗口以及较好的抑制钠枝晶能力。在50 ℃，由金属钠电极组装的对称电池在0.1 mA/cm2的电流密度可以长时间稳定循环；以Na3V2(PO4)3@C为正极活性材料，金属钠与碳纸复合作为负极组装全固态电池(不添加任何液体)，在0.2 C充放电比容量稳定在约107 mA·h/g。
复合电解质 聚合物共混 氧化铝电解质 石墨相氮化碳 钠电池 composite polymer electrolyte polymer blending aluminium oxide electrolyte graphitic carbon nitride sodium battery
1 1. 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 中国科学院能量转换材料重点实验室, 上海 200050
2 2. 中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
固态聚合物电解质具有柔韧性好和易于加工的优势, 可制备各种形状的固态锂电池, 杜绝漏液问题。但固态聚合物电解质存在离子电导率低以及对锂金属负极不稳定等问题。本研究以纳米金属-有机框架材料UiO-66为聚合物电解质的填料, 用于改善电解质的性能。UiO-66与聚氧化乙烯(poly(ethylene oxide), PEO)链上醚基的氧原子的配位作用以及与锂盐中阴离子的相互作用, 可显著提高聚合物电解质的离子电导率(25 ℃, 3.0×10 -5S/cm; 60 ℃, 5.8×10 -4 S/cm), 并将锂离子迁移数提高至0.36, 电化学窗口拓宽至4.9 V。此外, 制备的PEO基固态电解质对金属锂具有良好的稳定性, 对称电池在60 ℃、0.15 mA·cm -2电流密度下可稳定循环1000 h, 锂电池的电化学性能得到显著改善。
复合电解质 聚氧化乙烯 金属-有机框架材料 锂金属电池 composite electrolyte poly(ethylene oxide) metal-organic framework material lithium metal battery
1 中国海洋大学 材料科学与工程学院, 青岛 266100
2 中国科学院 青岛生物能源与过程研究所, 青岛 266101
有机/无机复合电解质被认为是全固态锂电池中最具潜力的固态电解质之一, 但由于无机填料易团聚, 通过提高无机填料含量来改善复合电解质的电导率难有成效。此外, 在全固态锂电池中, 电解质和电极之间松散的固-固接触造成过大的界面阻抗, 限制了全固态锂电池的性能。本研究采用固相法合成具有Li+连续传输通道的自支撑三维多孔Li6.4Al0.1La3Zr1.7Ta0.3O12骨架, 并利用原位聚合的方法构筑一体化电解质/电极固-固界面。此策略指导合成的复合电解质的室温电导率可达1.9×10-4 S·cm-1。同时, 一体化的界面使得Li-Li对称电池的界面阻抗从1540 Ω·cm 2降低至449 Ω·cm 2, 因此4.3 V(vs. Li+/Li)的LiCoO2|Li全固态锂电池展现出良好的电化学性能。
固态复合电解质 原位聚合 多孔骨架 全固态电池 solid composite electrolyte in-situ polymerization porous framework all solid-state battery
1 材料科学与工程学院 江西理工大学
2 江西省动力电池及材料重点实验室
3 资源环境与工程学院, 赣州341000
全固态锂离子电池具有高安全性、高能量密度、宽使用温度范围以及长使用寿命等优势, 在动力电池汽车和大规模储能电网领域具有广阔的应用前景。作为全固态电池的重要组成部分, 无机固体电解质尤其是石榴石型固态电解质在室温下锂离子电导率可达10 -3 S·cm -1, 且对金属锂相对稳定, 在全固态电池的应用中具有明显的优势。然而正极与石榴石型固体电解质间接触性能以及界面的稳定性差, 使得电池表现出高的界面阻抗、低的库伦效率和差的循环性能。本文以全固态锂离子电池正极与石榴石型固体电解质界面为研究对象, 分析了正极/固体电解质的界面特性以及界面研究中存在的问题, 综述了正极复合、界面处理工艺、界面层引入等界面调控和改性的方法, 阐述了优化正极与石榴石型固体电解质界面结构, 改善界面润湿性的解决思路, 提出了未来全固态锂离子电池发展中有待进一步改进的关键问题, 为探索全固态锂离子电池的实际应用提供了借鉴。
无机固体电解质 复合电解质 界面润湿性 界面阻抗 界面改性 综述 inorganic solid state electrolyte composite electrolyte interfacial wettability interfacial impendence interface modification review
