聚合物人工固体电解质界面层的研究进展

锂金属负极因具有极高的比容量(3860 mAh/g)和低电化学电势(-3.04 V),成为可充电电池领域的研究热点。然而,锂金属的不稳定性会促使枝晶形成,在充放电过程中发生不可控的界面反应,导致生成的固体电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)层不稳定,进而影响电池循环寿命。通过锂金属负极表面引入聚合物人工SEI(ASEI),改善机械性能和电化学性能,从而制备长循环寿命和高能量密度的锂金属电池(LMBs)。聚合物具有灵活度高及结构可设计等特点,是人工SEI的理想材料。概述了人工SEI的性质及作用,根据聚合物官能团类型和所起作用,系统总结了聚合物人工SEI的研究进展,并对未来的研究方向和发展前景作出展望。

全固态锂电池正极/电解质界面电阻:从空间电荷层模型到表征及模拟

采用无机固体电解质的全固态锂电池以其高安全性和长寿命等优点,已经成为动力电池领域的重要发展方向之一。随着高室温离子电导率(大于10^(-3)S·cm^(-1))的固体电解质的涌现,锂离子在其中的迁移动力学问题不再是全固态锂电池发展的主要瓶颈。相比之下,正极和固体电解质界面处因空间电荷层等复杂效应导致的高界面电阻成为当前急需解决的难题。本文从(电)化学势及电势的基本概念出发,对描述正极和固体电解质之间化学势差异所导致的空间电荷层的理论模型进行严格推导,以揭示其影响界面电阻的物理本质。接着,本文从实验表征和理论模拟角度出发,综述了当前在观测空间电荷层状态、计算正极/固体电解质界面及其体相锂离子浓度,以及预测界面电阻等方面存在的问题。在此基础上,本文提出了融合空间电荷层模型、数值模拟以及基于实际正极和固体电解质接触处费米能级状态和位置的方法,从而定量评估界面电阻。最后,本文展望了通过优化正极/固体电解质界面来提升全固态锂电池电化学性能的未来发展趋势。通过深入理解界面电阻的物理机制,未来可以采用新的材料设计、界面工程等策略来改善全固态锂电池的性能。这些研究将有助于推动全固态锂电池技术的发展,实现更高效、更安全的能源存储解决方案。

钠金属负极人工界面保护层的研究进展

钠金属负极由于其高的比容量、低的氧化还原电位以及资源优势被认为是钠电池极佳的负极材料。然而,不稳定的固体电解质界面(SEI)以及钠枝晶生长问题严重阻碍了其实际应用。因此,采用适当的保护策略实现钠金属负极稳定及高效循环是非常必要的。通常在钠金属负极表面构建人工界面层不仅可以有效实现钠均匀沉积/剥离,而且可有效缓解钠金属负极在电化学过程中的体积变化以及抑制钠枝晶生长。为此,该综述归纳总结了人工界面层策略改善钠金属负极的研究进展。首先讨论了自发形成的SEI膜的基本性质,其存在稳定性差、韧性差、机械强度低等问题。针对此,提出构建无机、有机和无机-有机复合人工界面层保护钠金属负极,实现无枝晶钠沉积/剥离。含钠无机材料通常具有高剪切模量、耐腐蚀、结构稳定、高离子电导率等优点,但脆性大;有机材料通常具有结构可设计性、官能团多样性以及高机械韧性特点,但稳定性较弱;无机-有机复合保护膜结合了上述两者的优势,可构建综合性能优异的人工界面层。文中详细阐述了这三种人工界面膜的实施方法与改性效果。最后,建议对人工界面膜持续优化以及采用先进表征技术、理论计算和模拟等深入研究界面稳定性机理。

锂电池中固体电解质界面研究进展

锂离子电池在电子产品和电动汽车等领域已得到广泛应用,同时具有更高比能量的锂离子电池和锂金属电池也在不断研发中。电极界面的研究在推动电池的研发和产业化过程中发挥重要作用,因为电池在首次充放电过程中电解液组分在电极/电解质界面上发生氧化/还原反应并形成离子导通、电子绝缘性质的界面膜,界面膜对于维持电极结构的完整性、保障锂离子快速迁移和防止电解液持续分解十分关键,因此其稳定性与电池的循环性能和使用寿命密切相关。本文综述了固体电解质界面(SEI)的研究进展,首先介绍了SEI在初次充放电阶段对电位的依赖性,讨论SEI的形成机理,具体分析了影响SEI形成的两个关键因素,即电极表面的离子特性吸附和电解液体相的溶剂化组成和结构;其次,梳理总结了界面的结构与化学组成研究进展,及锂离子在界面中可能的传导机制;此外还简要概述了影响界面膜的因素和调控界面膜的策略;最后对SEI在未来的研究方向进行了展望。

石榴石固体电解质Li_(3)BO_(3)界面改性研究

石榴石固体电解质由于其高的离子电导率,对锂金属稳定等优点成为了下一代高性能锂电池的重要研究方向之一。但锂金属负极界面浸润性与锂枝晶问题限制了其应用。本文通过简单的液相沉积结合高温烧结的方法,在石榴石固体电解质片表面构建了一层稳定的硼酸三锂(Li_(3)BO_(3))修饰层。研究表明,Li_(3)BO_(3)修饰层可以有效改善石榴石固体电解质与锂金属负极界面接触,促进锂的均匀沉积/溶出,从而抑制锂枝晶生长,提高界面稳定性。Li_(3)BO_(3)修饰后石榴石电解质片与锂金属之间紧密结合,Li/石榴石界面阻抗由修饰前的1780Ω·cm2降低至58Ω·cm^(2)。得益于界面接触的改善,Li_(3)BO_(3)修饰后的LLZTO电解质组装的对称电池可以在0.1 m·cm^(-2)的电流密度下稳定工作超过700 h。而未修饰的对称电池在0.05 m A·cm^(-2)的电流密度下短时间工作即出现微短路现象。

翻转条件下固体火箭发动机药柱-衬层界面力学响应

为了研究翻转条件下固体火箭发动机燃烧室药柱-衬层界面力学响应、探究现有的固体火箭发动机翻转方式合理性,采用试验与数值模拟相结合的方法,对药柱-衬层界面在不同翻转时间内应力应变及位移变化进行分析。研究结果表明:翻转可以一定程度上消除固化降温产生的残余应力;匀角速度翻转产生的应力相较其余翻转方式更为平缓。在翻转过程中,发动机两端人工脱粘层底部界面是其可靠性分析重点关注的对象。其界面危险点位于上部前人工脱粘层底部边缘和其相对应翼槽底部边缘之间的区域;翻转条件下界面的最大Mises应力为0.0455MPa,设计的翻转方式能够满足界面安全裕度需求。

(Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(2-δ)/Y_2O_3:ZrO_2)_N超晶格电解质薄膜的制备及表征

采用脉冲激光沉积技术(PLD),在MgO单晶基底上,依次沉积氧化钐掺杂的氧化铈(Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(2-δ),SDC)和钇稳定氧化锆(8 mol%Y_2O_3:ZrO_2,YSZ)制备了五种(SDC/YSZ)_N(N=3,5,10,20,30)超晶格电解质薄膜.利用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)和交流阻抗对其形貌、相结构和电学性能进行了表征.结果显示,(SDC/YSZ)_N超晶格电解质薄膜之间形成了明显的界面和较好的超晶格结构;薄膜表面颗粒生长均匀、致密、平滑,在薄膜的界面处没有元素相互扩散也未出现裂纹,外延生长良好;电导率随着(SDC/YSZ)_N超晶格电解质界面数的增加而增加,而活化能则随之减少,是较为理想的低温固体氧化物燃料电池电解质.

中低温固体氧化物燃料电池中CeO_2基电解质隔层制备技术的研究进展

在中低温固体氧化物燃料电池(SOFCs)中,CeO_2基电解质隔层用于阻止高活性钙钛矿阴极与ZrO_2基电解质之间的元素扩散和界面反应,改善阴极与电解质之间的化学相容性。综述了CeO_2基电解质隔层的制备方法及其在SOFCs中应用的研究进展。CeO_2基电解质隔层的制备方法主要分为如下三类:陶瓷粉末法、化学气相沉积法、物理气相沉积法。陶瓷粉末法与化学气相沉积法制备CeO_2基隔层的致密性较差,而物理气相沉积法可以在较低温度下制备致密的CeO_2基电解质隔层。磁控溅射是物理气相沉积法中的一种,其可以以较低的成本溅射沉积均匀致密的CeO_2基隔层,该隔层能够有效阻止阴极与电解质之间的元素扩散,显著提高了电池的中低温性能和长期稳定性。对CeO_2基电解质隔层制备技术的发展进行了展望,有利于发展中低温SOFCs。

可充镁电池负极/电解液界面调控研究进展

我国镁资源的高自然丰度,以及对高能量密度和安全储能设备的需求激发了人们对可充镁电池(RMB)的研究兴趣.然而,在充放电过程中,镁金属负极表面钝化层的形成、金属镁的不均匀沉积以及金属镁与常规电解质的相容性差等严重影响了镁电池的性能.镁金属负极与电解液界面的稳定性在很大程度上决定了电池循环稳定性和库伦效率.本文概述了近年来镁二次电池界面失效机制的研究进展,并总结了构建高导离子而电子绝缘的电极/电解质界面策略.最后,展望了稳定镁负极/电解液界面和实现高性能镁二次电池的未来发展方向.

当前和下一代锂离子电池电解液的原子尺度微观认识和研究进展

电解液及构筑电极电解液界面对于开发和应用高比容量储能系统至关重要。具体来说,电解液的机械(抗压性、粘度)、热(热导率和热容)、化学(溶解性、活度、反应性)、输运和电化学(界面及界面层)等性质,与其所组成的储能器件的性能直接相关。目前,大量的实验研究通过调控电解液的物理和/或化学组成来改善电解液性能,以满足新型电极材料的工作运行。与此同时,理论模拟方法近年来得到了迅速发展,使人们可以从原子尺度来理解电解液在控制离子输运和构筑功能化界面的作用。站在理论模拟研究的前沿上,人们可以利用其所揭示的机理性认识对新型电解液开展理性设计。本文首先总结了传统电解液的组成、溶剂化结构和输运性质以及电极电解液界面层的形成机理,进一步讨论了利用新型电解液设计稳定电极电解液界面层的方法,包括使用电解液添加剂、高浓电解液和固态电解质,并着重讨论了对这些新型电解液体系进行原子尺度模拟的最新进展,为了解和认识电解液提供更为基本的理解,并为未来电解液的设计提供系统的指导。最后,作者对新型电解液的理论筛选进行了展望。

固体装药结构界面应力分析

研究了基于热黏弹性接触理论计算固体装药结构界面应力的数值方法,给出了一种快速判断界面是否脱黏的工程实用方法.以某固体装药结构为例,采用接触算法模拟固体装药多层结构复杂的边界条件,计算了挂飞工况下固体装药结构应变场特征,研究了壳体/绝热层界面应力的分布规律,结果表明:应变场云图符合工程实际,壳体/绝热层界面黏接良好,不会发生脱黏现象.

锂金属负极界面修饰及其在硫化物全固态电池中的应用

随着我国新能源产业的快速发展,全固态电池由于其理论上的高能量密度和高安全性受到广泛关注,而硫化物全固态电池具有离子电导率高的优势成为目前的研发热点,但是金属锂负极的锂枝晶生长和与硫化物电解质之间的不稳定性严重阻碍了硫化物全固态电池的研发.本工作在高温150℃下制备了均匀的LiF界面层来抑制金属锂负极/硫化物电解质之间的界面反应和锂枝晶.LiF/Li之间具有较高的界面能,所以可以有效抑制锂枝晶的生长.LiNbO_(2)@LiCoO_(2)//Li_(6)PS_(5)Cl//LiF@Li(LNO@LCO//LPSCl//LiF@Li)全电池0.05 C,0.1 C,0.2 C和0.5 C倍率的正极放电克容量分别为138.4 mAh/g,105.0 mAh/g,80.3 mAh/g和60.4 mAh/g,0.05 C循环50周后,正极容量保持率为80.2%.该方法为后续金属锂负极在全固态电池中的应用提供了新的方案.