树枝状磺化聚醚砜纤维基复合固态电解质的制备及其性能

为解决应用于全固态锂金属电池中固态有机电解质离子电导率较低和力学性能较弱的问题,采用静电纺丝技术制备了树枝状磺化聚醚砜(SPES)纳米纤维膜,将其与聚氧化乙烯(PEO)结合制备复合固态电解质,并应用于全固态锂金属电池中。探讨了纺丝工艺对纳米纤维形貌的影响,在最佳的静电纺丝工艺参数下,研究了SPES纳米纤维膜对复合固态电解质结晶度、离子电导率、力学性能以及电化学性能的影响。结果表明:在四丁基六氟磷酸铵质量分数为2%,静电纺丝电压为30 kV,接收距离为15 cm时,制备的树枝状SPES纳米纤维膜具有最好的形貌,将PEO浇筑在该纳米纤维膜上获得的复合固态电解质其离子电导率为8.13×10^(-5)S/cm(30℃),断裂强度为5.1 MPa,且可使对称电池在0.1 mA·h/cm^(2)下稳定循环198 h,使LiFePO_(4)/Li电池在循环400圈后仍保持着128.6 mA·h/g的放电比容量;SPES纳米纤维膜因破坏PEO的结晶区且能构成三维离子传输路径,不仅提高了复合固态电解质的离子电导率,还使复合固态电解质具有优异的力学强度,可满足高性能全固态锂金属电池的应用需求。

石榴石型立方相Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质的制备及储锂性能

石榴石型立方相Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)具有高的离子电导率和热稳定性,在固态锂电池领域颇具应用前景。煅烧温度对制备高性能立方相LLZO至关重要。为此,首先采用不同煅烧温度(1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃)制备了LLZO,然后将10%磺酸甜菜碱改性的聚偏二氟乙烯(SB-PVDF)与90%LLZO复合制备固态电解质膜,并研究其电化学储锂性能。结果表明:在最优煅烧温度1200℃时制备的LLZO为纯立方相结构,相对致密度高达92.4%,离子电导率为1.21×10^(-4)S/cm,活化能为0.335eV,相应的固态锂电池在1.0C充放电时的放电比容量为124.3mAh/g,循环200圈后容量保持率为93.4%,优于其他样品。

基于固态电解质膜的软包电池制备与初步表征

固态电池安全性高、可适应高比能正负极,是蓄电池发展的方向,但存在固相界面阻抗大、界面结构稳定性差等问题。为了快速评估固态电池技术在实用型蓄电池中的作用,本文采用流延法制备了在50℃下离子电导率为6.16×10^(-4)S/cm的固态电解质膜。以高镍三元为正极、石墨为负极,制备了质量为1.1214 g、容量为53.44 mAh的微型软包电池和容量为7252.8 mAh的大容量软包电池。微型软包电池实现了5 C高倍率的放电和150次循环,大容量软包电池在放电深度(DOD)为13.78%时,实现了439次循环充放电。以上结果说明固态电解质膜满足在锂离子电池中使用的要求,然而这些电池的界面构筑仍有不足之处。基于本文结果,通过对固态电解质膜材料、电池化成制度等进行改进,有望促进高性能电池的研发。

基于第一性原理的Zr掺杂Li_(3)PS_(4)固态电解质的性能研究

硫化物固态电解质是目前无机固态电解质的研究焦点之一。然而,当用于全固态电池时,硫化物固态电解质与电极材料的相容性较差,难以兼顾高电导率和高稳定性,因此通过元素取代或掺杂,以及结构调整来提高固态电解质的离子电导率获得了广泛的研究。基于第一性原理对Li_(3)PS_(4)进行Zr掺杂改性研究,研究思路即通过Zr掺杂取代Li原子,同时产生Li空位来增加锂离子的传输空位。通过计算Zr掺杂的Li_(3)PS_(4)的Li空位形成能,证明当Zr元素在Li_(3)PS_(4)晶体结构的Li_(2)位进行掺杂时具有较低的空位形成能,从而提高了Li_(3)PS_(4)固态电解质的结构稳定性。通过计算态密度和差分电荷密度,发现Zr掺杂可以改变其周围的电子态,不仅能提高Li_(3)PS_(4)的活性,还改善了Li_(3)PS_(4)的电化学稳定性。采用CI-NEB方法计算分析锂离子在Zr掺杂Li_(3)PS_(4)固态电解质体相中沿不同迁移路径的迁移能垒,发现锂离子沿Li_(2)→Li_(2)→Li_(2)路径进行迁移的迁移能垒最小,由此确定了锂离子在Zr掺杂Li_(3)PS_(4)晶体结构中的最优扩散通道。

固态电解质电池的研发、应用与发展

固体电解质的发展历史可以追溯到20世纪初,固体电解质和液体电解质都是电解质。固体电解质最早称为快离子导体,其离子电导率达到10-2S/cm以上,离子迁移数高达0.99。另外,离子迁移活化能要足够小,才能保证不必要的损失。在一般条件下,若离子电导率能达到10-2S/cm,电解质在此条件下就可以发挥使用。固体电解质主要包括无机和有机的,无机的离子导体具有一定的晶体结构,而有机的固体电解质是通过有机分子链的运动来推动离子迁移。

硫化物固态电解质薄膜的室温干法制备和全固态电池性能

硫化物固态电解质具有高室温离子电导率,但机械强度差难以形成实用电解质层。因此,提出聚合物粘接剂预纤维化的策略,实现了硫化物电解质复合膜的室温干法制备提升了全固态电池的性能。通过PTFE乳液破乳干燥制备了预纤维化的PTFE干粉,采用Li6PS5Cl电解质和纤维化PTFE在室温辊压下成功制备了超薄(~35μm)和高离子电导率(3.17 mS/cm)的硫化物固态电解质复合膜。采用铌酸锂包覆的钴酸锂(LCO@LNO)为正极材料,通过室温干法工艺,制备了正极材料、硫化物电解质、导电剂的复合正极薄膜。通过超薄锂铟合金、电解质复合膜、正极复合膜的简单堆叠,制备了全固态薄膜电池,实现了正极材料134.1 mAh/g的可逆比容量,全电池188Wh/kg的比能量和100次的稳定循环。

固态电解质的国内外研究进展

固态电解质表现出的高安全性、高能量密度等优点,被认为是下一代最具前景的关键储能技术之一。基于以往国内外相关研究,梳理和评述了无机固态电解质、聚合物固态电解质和固态复合电解质的研究进展,通过廓清固态电解质国内外的研究脉络,旨在为全固态电解质和全固态电池的研究设计提供有价值的建议。

PVDF基聚合物固态电解质的组成与改性研究

固态锂电池因其具备高能量密度、安全性好等优点而备受关注。作为固态锂电池最关键的组成部分,固态电解质(SSE)在提高固态锂电池的电化学性能方面起到至关重要的作用。聚偏二氟乙烯(PVDF)基固态聚合物电解质(SPE)具有优异的柔韧性、力学性能以及良好的加工性能,在固态锂电池的发展中展现出巨大的应用潜力。然而,PVDF基SPE仍存在离子电导率低、结晶度高等问题。本文基于SPE的离子传输机制和目前存在的缺点,详细介绍了PVDF基SPE设计策略的最新进展,重点总结了在有机分子改性、填料的设计与改性和结构调控等方面的研究进展。此外,本文介绍了PVDF基SSE在固态锂电池体系中的应用。最后,对PVDF基SPE的未来前景进行了展望。

有机无机复合锂离子电池固态电解质专利分析

随着新能源汽车产业的飞速发展,传统液态电解质已经不能满足市场需求,固态电解质因其安全和能量密度优势已经成为未来发展的理想方向。然而由于无机电解质界面性能差和聚合物电解质材料离子电导率低的固有缺陷,严重阻碍了其实际应用,兼具无机电解质离子电导率高、力学性能好以及有机电解质柔韧性好且不与锂金属反应的复合体系固态电解质已经成为当前研究热点。为了解有机无机复合锂离子电池固态电解质发展态势,本文基于智慧芽Patsnap专利数据库检索结果,总结了全球及中国专利申请数量变化趋势和法律状态,对比了专利主要来源国和主要申请人情况,梳理了技术手段和技术效果之间的关系,重点从有机、无机、添加剂等材料组成,物理共混、三维、多层等复合方式以及特定制备工艺三个维度总结分析了专利技术发展情况。研究发现,我国在有机无机复合锂离子电池固态电解质专利布局方面具有数量优势,但目前申请人较为分散,且技术保护更多限于材料本身,建议加强合作交流,以及对上下游产业的整体技术保护,技术发展方向方面,高无机相用量的三维复合体系具有更佳的综合性能,但从产业化角度,聚合物填充无机颗粒体系可能发展得更快。

应用于全固态电池的复合固态电解质的制备实验设计——综合化学实验教学探究

介绍了一种有机-无机复合型固态电解质(SPE)的综合化学实验,使学生了解聚环氧乙烷(PEO)的改性策略及SPE在全固态电池中的应用。通过X射线衍射(XRD)表征晶体结构,采用交流阻抗、线性扫描伏安法、恒流充放电等测试增强学生对极化和离子迁移数等概念的理解。该实验有助于学生将化学中的理论知识延伸至实际运用,提高理论水平,锻炼实践能力。

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)基氧化铝薄膜的制备及对固态电解质应用性能的影响

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)具有离子电导率高、电化学窗口宽、与锂负极相容性好的特点,在锂离子电池领域成为了传统有机液态电解质的潜在替代品。然而,LLZO极易与空气中的CO_(2)、H_(2)O反应生成副产物Li_(2)CO_(3),致使LLZO离子电导率降低,甚至丧失。针对这一问题,本研究采用先旋涂后烧结的方法在LLZO表面构筑氧化铝薄膜,借助致密氧化铝薄膜阻隔LLZO与空气的直接接触的特性,改善和提高LLZO的空气-水稳定性。结果表明,采用该方法可在LLZO表面构筑厚度约为13.34μm的无定形氧化铝薄膜层。该薄膜层有效提高了LLZO对气体的阻隔性,增大了LLZO表面疏水特性,在一定程度上抑制了Li_(2)CO_(3)的生成。同时,由于渗入LLZO中氧化铝对空隙的填充作用,强化了离子传输特性,使负载薄膜后LLZO的离子传导的活化能从0.40 eV降低至0.28eV,离子电导率从4.48×10^(5)S·cm^(-1)提高到5.06×10^(-5)S·cm^(-1),提高了13%。

固态电解质离子传输机制研究进展

全固态锂金属电池具有较高的安全性和稳定性,是替代传统锂离子电池成为下一代储能装置的理想选择。然而,固态电解质相较于液体电解液而言,其较低的离子电导率仍然是阻碍全固态锂金属电池得到快速发展的一个关键。综述了不同类型固态电解质离子传输机理,总结了提高固态电解质电导率的改进策略和最新研究进展,归纳了改善固态电解质离子传输性能的技术路线,并对未来新型固态电解质的设计与发展作了展望。

LATP、LAGP固态电解质材料合成改性路线研究现状及展望

固态电解质作为固态电池的关键组件,因其能够匹配高比容量的正、负极材料,实现更高的能量密度,并从根本上解决液态锂离子电池的安全隐患,而备受关注。其中,NASICON型的Li_(1+x)Al_(x)Ti_(2-x)(PO_(4))_(3)(LATP,0≤x≤0.5)和Li_(1+x)Al_(x)Ge_(2-x)(PO_(4))_(3)(LAGP,0≤x≤0.5)氧化物固态电解质,因其出色的空气稳定性、高离子电导率、低廉的原料成本以及温和的合成条件,成为固态电解质商业化的有力竞争者。然而,传统的实验合成和改性优化方法研发成本高、周期长、效率低。理解LATP/LAGP中离子输运机制,探索材料合成新方法,提高材料研发的效率是当前研究的重点。本文详细探讨了LATP/LAGP材料的晶体结构、离子传导机制、合成制备技术、性能提升策略以及机器学习辅助材料合成等方面的研究进展。此外,通过综合分析合成成本与产物性能,总结了具有工业化潜力的合成优化路径,并结合具体实例展示了机器学习在固态电解质领域的广阔应用前景。最后,文章还分析了当前LATP、LAGP固态电解质研究中存在的不足,并从基础研究、工程应用和商业化推广三个维度展望了未来的发展方向。

聚硅氧烷固态电解质的研究现状及未来发展趋势

聚硅氧烷(PS)因较低玻璃化温度(T_(g)<-100℃),良好的耐热性、优异的离子电导率和电化学稳定性,以及分子结构设计多样化等特点,在固态电解质领域具有巨大的应用潜力。尽管已有大量PS固态电解质的研究报道,但仍然面临着一些挑战,难以满足实际应用的要求。介绍了目前PS聚合物固态电解质的现状,主要包括优缺点与性能要求,从化学改性和物理改性两个方面阐述了改性策略,总结PS聚合物基固态电解质的改性方法,并分析了未来的发展趋势。

金属氯化物固态电解质及其全固态电池研究现状与展望

基于无机固态电解质体系的全固态电池,具有高能量密度、长循环寿命和高安全性等特点,被认为是下一代电化学储能电池中备受期待的候选体系。实现高性能全固态电池的关键在于设计和制备具有高离子电导率、界面稳定且易形变的固态电解质材料。金属氯化物型固态电解质作为一种新兴的材料体系,同时具备氧化物固态电解质的抗氧化性以及硫化物固态电解质的高离子传导率和机械延展性,且制备过程简单,无须严苛的环境和极高的烧结温度,可规模化生产潜力大,正逐渐成为实现全固态电池商业化的技术路线竞争者之一。本文通过对近五年来相关电解质材料研究进展的深入分析,对金属氯化物固态电解质体系的研究现状进行了系统评述,涵盖了其合成方法学、晶体结构学、离子传导机制、性能优化策略、电极-电解质界面兼容性以及实用化可行性分析等多个方面。同时,展望了金属氯化物固态电解质未来可能的发展方向,为基于金属氯化物的高性能全固态电池的研究提供了理论和实验参考。

原位技术在聚合物固态电解质中的应用进展

聚合物固态电解质因安全性高、柔性大、种类丰富、价格低等优势,为高能量密度锂金属电池产业化奠定基础。但受界面等问题的限制,目前聚合物固态电解质的电化学性能仍然较差。近几年,原位技术在电解质的研发领域受到越来越高的关注。以原位聚合和原位表征为代表的原位技术极大促进了聚合物固态电解质的发展。原位聚合通过优化电极、电解质界面提升电池电化学性能,原位表征可在无破坏的前提下探究电池内部的电化学机制。本文综述了聚合物固态电解质与原位技术的发展背景,重点讨论了近几年原位聚合在不同种类聚合物固态电解质中的应用进展以及原位表征在原位制备聚合物电解质中的应用,并指出原位技术在聚合物固态电解质的制备和表征方面极具应用前景,同时针对原位聚合存在聚合程度难以控制、基质结构缺乏设计等问题提出了专注于机理研究、开发新的引发条件及反应体系等解决建议。

石榴石Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质电导率优化策略研究进展

近几年,应用碳材料负极和有机电解液的液态锂离子电池(LIBs)的弊端日益凸显,电解液泄漏和过热燃烧等安全事故频发。另外,传统的LIBs也无法满足当今社会对高能量密度电池的需求。由于上述LIBs存在的诸多缺点,市场急需开发兼顾高能量密度与高安全性能的新型电池,现已发现可通过引入固态电解质的途径来实现。固态锂电池(SSLBs)相较于传统的LIBs,具有较高的能量密度、较宽的工作温度范围和更高的安全性。其中,固态电解质作为固态电池的重要元件之一,对电池性能的影响至关重要。石榴石Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)凭借其高锂离子电导率(1×10^(-4)~1×10^(-3)S/cm)、宽电化学窗口(9 V)以及对锂负极的高稳定性等优点,在众多固态电解质中脱颖而出。本综述就提高石榴石基电解质锂离子电导率的研究予以总结:首先,介绍了Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)晶体结构并分析了结构与电导率之间的关系;然后,综述了几种提高电导率的方法,包括引入掺杂离子、改进烧结技术和添加烧结助剂等;最后,提出了石榴石基固态电池的未来发展的挑战,为固态电解质相关研究提供参考。

无机固态电解质界面改性技术研究进展

全固态锂离子电池,因其能量密度和安全性的优势而受到广泛关注,固态电解质作为全固态电池的核心部件对其工作性能具有至关重要的影响。当前研究较为成熟的固态电解质体系包括氧化物、硫化物和聚合物三种,其中氧化物固体电解质的能量密度、稳定性和循环寿命等性能较好,是较为理想的固态电解质材料,但其与电极间存在的严重的界面接触问题束缚了固态电池的大规模应用。目前针对改善不同类型固态电解质界面问题的研究较多,综述了近几年报道的无机固态电解质与电极间的界面问题的前沿研究,系统归纳了几类主要的界面改性方法,着重对复合正极、界面处理工艺优化、引入界面层以及复合电解质等研究方法进行了介绍与应用前景展望。

用于低温锂金属电池的固态电解质技术研究进展

固态锂金属电池因其理论上的高能量密度和安全性成为下一代锂二次电池的重要发展方向。然而,由于低温下(≤0℃)固态电解质离子电导率下降、电解质/电极界面处阻抗增加,固态锂金属电池在低温下的电化学性能快速劣化,为推进固态锂金属电池的实用化进程,亟须提升固态电解质在低温下的性能。本文围绕固态电解质的先进新兴技术,从材料层面切入,对近年来受到广泛关注的固态锂金属电池在低温领域的进展进行了梳理。首先介绍了固态锂金属电池的低温化学特性和失效机制,从本体离子传输、界面电荷转移、电极表面结构、锂金属稳定性等方面进行了归纳和分析。其次根据不同类型的固体电解质,对低温运行的先进金属锂电池的设计技术进行了总结,详细介绍了无机、聚合物及复合固态电解质的设计原理、化学组成-性能关系及界面优化策略等。最后从新材料、新表征、新机理及新标准四个维度对低温固态锂金属电池的未来实用化研究方向进行了展望,为低温固态锂金属电池的合理设计提供参考。

聚合物基复合固态电解质填料研究进展

聚合物基固态电解质具有优异的稳定性、加工性和低成本,是实现全固态锂电池的理想电解质,然而低离子电导率严重阻碍了其应用。加入无机填料,构筑聚合物基复合固态电解质是提升离子电导率的有效策略。首先,讨论了聚合物电解质的离子传导机理及复合固态电解质组分间的协同作用。其次,从机械强度、电化学稳定窗口、离子电导率、锂离子迁移数四个方面阐述了填料的作用,并以惰性填料、活性填料、功能性填料为分类对近些年填料的研究进展进行了系统介绍,阐释了其物理化学性质对电解质性能的调控机制。最后,在总结现有研究结果的基础上,针对关键问题对未来的研究方向进行了展望。