锂离子电池用硅基负极人造固体-电解质界面膜研究进展

综述了近几年锂离子电池用硅基负极人造固体-电解质界面膜(SEI)方面的研究进展,梳理了氧化物基、聚合物基和固态电解质基共三种类型人造SEI膜的研究现状,并对硅基负极人造SEI膜的研究方向与应用前景进行了展望。

金属锂固体电解质界面膜的研究进展

固体电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)是锂金属电池在首次充放电时,锂金属负极表面形成的一层钝化膜,对电池的循环性能和安全性能等具有至关重要的影响。充分地认识SEI膜将有助于开发具有更长循环寿命和更高安全性能的锂金属电池。综述了锂金属电池SEI膜的研究进展,介绍了SEI膜的组成和结构,梳理了各种常见组分的形成条件和作用,论证了两种用于描述SEI膜结构的模型,即马赛克模型和层状模型,总结了影响SEI膜组成和结构的关键因素,如电解质添加剂、电极电位、温度和电流密度等。并介绍了通过引入电解质添加剂和构建人工SEI膜实现界面稳定调控的最新研究进展,最后展望了SEI膜未来的研究方向。

锂离子电池中固体电解质界面膜(SEI)研究进展

本文综述了锂离子电池中固体电解质界面膜 (SEI膜 )的研究进展。在总结SEI膜的形成机理及模型的基础上 ,讨论了对SEI膜可能的影响因素及其改性方法 ,以及各种表征技术、特别是原位分析技术在SEI膜研究中的实际应用。指出在今后的研究中 ,正极表面与电解液间的界面膜 ,以及引入水溶性粘合剂体系后正负极表面与电解液间的相互作用将成为人们关注的热点。

正极材料钴酸锂表面固体电解质相界面膜的研究

通过循环伏安和交流阻抗(EIS)分析,对锂离子电池正极材料钴酸锂(LiCoO2)表面的固体电解质相界面膜(SEI膜)的形成进行了研究。循环伏安测试结果表明,钴酸锂表面的SEI膜主要是在第1次循环过程中形成。EIS测试结果表明,在低倍率条件下和常温条件下充放电循环形成的SEI膜更加致密,阻抗值更小;储存时间的长短对电池的阻抗也有影响,储存7 d的阻抗值要小于储存1 d的阻抗值。

固体聚合物电解质中聚3-甲基噻吩复合膜的电致变色性质

在氧化铟锡玻璃上分别涂有LiBF_4的聚醚基氨酯(PEU_(T21)和PEU_(T37))膜层,电化学聚合得到聚3-甲基噻吩(PMT)-PEU_(T21)和PMT-PEU_(T37)两种复合膜。由ITO玻璃/PMT-PEU_(T21) (或PEU_(T37))复合膜/LiBF_4-PEU_(T21)聚合物电解质/ITO玻璃粘合成电致变色器件,并表征了器件的电致变色性质。结果表明:使用PMT-PEU_(T37)复合膜制成的器件与由PMT-PEU_(T21)复合膜制成的器件相比,经掺杂和不掺杂过程在800nm处有较大的透过率差、较快的响应时间和较长的循环次数。

钠离子电池HOPG负极固体电解质界面膜的AFM研究

固体电解质界面膜(Solid Electrolyte Interphase,SEI)在钠离子电池(Sodium Ion Battery,NIB)中扮演着重要作用。迄今为止,对于钠离子电池SEI膜的探索仍然十分有限。本研究利用电化学原子力显微镜(Electrochemical AFM,EC-AFM),通过循环伏安法研究了钠离子电池负极材料高定向热解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite,HOPG),在碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate,EC)和氟代碳酸乙烯酯(Fluoroethylene Carbonate,FEC)电解液中首次充放电过程SEI膜的结构变化。通过纳米刻蚀的方法,进一步获得首次充放电结束后SEI的厚度。结合X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)分析了HOPG在EC和FEC电解液中所形成的SEI膜的化学组成区别。研究结果表明,在EC电解液中,所生成的SEI膜在HOPG表面非台阶处较薄,但在HOPG的台阶处较厚;在FEC电解液中,所生成的SEI膜很厚,具有明显的双层结构。其中上层是由体积较大的颗粒组成,下层则由致密的小颗粒组成。

影响电池性能的因素:金属离子溶剂化结构衍生的界面行为还是固体电解质界面膜?

通过电解液分解在电极上形成的固体电解质界面(SEI)层被认为是影响电池性能的最重要因素。然而,我们发现金属离子溶剂化结构也会影响其电极性能,尤其可以阐明许多SEI无法解释的实验现象。基于该综述,本文总结了金属离子溶剂化结构和衍生的金属离子去溶剂化行为的重要性,并建立了相应的界面模型以展示界面行为和电极性能之间的关系,并将其应用于不同的电极和电池体系。我们强调了电极界面离子/分子相互作用对电极性能的影响,该解释与以往基于SEI的解释不同。该综述为理解电池性能和指导电解液设计提供了一个新的视角。

利用pH-电位-稳定性图分析含水聚合物电解质膜电化学反应器中贵金属和阀金属元素的稳定性

根据对含水聚合物电解质膜(PEM)电化学反应器中各种界面电位变化范围的分析,可以推知各种此类电化学反应器中的固/水界面电位的变化范围.据此可根据各种材料的pH-电位图构筑pH-电位-稳定性图,用于分析这类反应器中各类材料的稳定性.介绍了构筑pH-电位-稳定性图的方法,并根据各种贵金属元素和阀金属元素的pH-电位-稳定性图,分析了它们在各类含水PEM电化学反应器中用作催化材料或结构材料时的稳定性.

聚乙二醇/SiO_2固体电解质膜的制备与表征

溶胶 -凝胶法制备了有机 /无机杂化固体电解质膜。用扫描电镜、热重等测试手段对其进行表征。结果表明 ,正硅酸乙酯水解速率的快慢会影响膜的微观结构。无机 Si O2 粒子提高了固体电解质膜的耐热性能。离子电导率随着温度的升高而增加 ,温度升至 4 0 3.15 K时达到最大值 ;继续升高温度 。

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.

YSZ/Ni-YSZ双层中空纤维电解质层厚度控制及其影响

本研究利用相转化共纺丝法一步制备出微管式固体氧化物燃料电池(MT-SOFC)用电解质/阳极(YSZ/NiO-YSZ)双层中空纤维膜,将制得的YSZ/NiO-YSZ双层中空纤维膜前驱体经1450℃烧结后,以纯H2在700℃下还原4 h得到YSZ/Ni-YSZ双层中空纤维膜。电解质YSZ膜层厚度通过改变YSZ铸膜液挤出速率来调节。将La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)阴极乳浆浸渍涂覆在烧结后的YSZ/NiO-YSZ双层中空纤维膜外,经1200℃烧结后形成微管式固体氧化物燃料电池。结果表明,当阳极铸膜液以10 mL/min速率挤出,而电解质铸膜液挤出速率为0.5、1、1.5、2 mL/min时,构造的YSZ/Ni-YSZ双层中空纤维膜电解质层厚度分别为6、13、18、28μm,其机械强度、气密性均随着电解质层厚度增加而增大,但电导率与孔隙率受电解质层厚度的影响较小。YSZ膜厚度为28μm的MT-SOFC,800℃时以20 mL/min氢气作为燃料,30 mL/min空气作为氧化剂,最大开路电压为1.01 V,最大输出功率只有75 mW/cm2。但同样测试条件下,YSZ膜厚度为6μm的MT-SOFC,开路电压为0.92 V,最大输出功率升至329 mW/cm2。

石墨负极界面SEI膜与锂离子电池热失控

随着商用锂离子电池(LIBs)的蓬勃发展,其安全性的欠缺成为日益凸显且亟待解决的问题。作为LIBs事故的重要形式之一,热失控过程与石墨负极固体电解质界面(SEI)膜密切相关。因此,深入了解和精准调控SEI膜的性质成为提高LIBs安全性的前提和重要途径。本文首先对SEI膜的组分、结构,以及形成原理进行了简要介绍,尤其强调了SEI膜在热失控过程中所起的关键作用。其次,探讨了热失控过程中与SEI膜相关的不安全因素及其机理。对SEI膜的分解、锂化石墨的热解、可燃气体的释放、锂沉积、正极过渡金属(TM)对SEI膜的影响几个过程的分析表明,需要同时提高SEI膜自身的热稳定性和Li+在其中的传输能力,才能有效提高电池的安全性能。依据材料的结构和成分、性质、性能之间的决定性关系,对SEI膜的改性进行了广泛研究。调控电解液组分或在负极电极内引入添加剂进而对SEI膜进行原位调控,以及构筑无机或有机组分的人工SEI膜均能够有效调控SEI膜的特性。最后,展望了未来SEI膜的相关研究和调控方向,为提高LIBs的安全性提供了理论依据和实验指导。

15-冠醚-5用作电解液低温添加剂的综述

向电解液加入低温添加剂可改善锂离子电池的低温性能。当温度降低(如-20℃以下)导致电解液大量凝固或锂盐析出时,电池的阻抗会急剧上升。综述15-冠醚-5作低温添加剂改进低温性能的因素:与Li+的特定溶剂化,有利于形成光滑致密的固体电解质相界面膜;可提高锂盐在低温下的溶解度和电离度;熔点为-40℃,可降低电解液的凝固温度。

聚合物复合固体电解质材料研究进展

固体电解质是发展高安全、高能量密度全固态锂电池的重要材料基础。由聚合物相与无机相复合形成的聚合物复合固体电解质,兼具聚合物轻质、柔性,以及无机材料高强度、高稳定性等优势,是最具应用潜力的固体电解质材料。目前,制约聚合物复合固体电解质实际应用的主要瓶颈问题为其室温离子电导率较低。综述了目前关于聚合物复合固体电解质离子传导机制的科学认识以及提升其离子电导率的方法,分析了先进表征工具在揭示聚合物复合固体电解质离子传导机制方面的应用潜力,并展望了聚合物复合固体电解质未来的发展方向和工作重点。

新型成膜电解液添加剂亚硫酸丁烯酯的电化学行为

合成制备了一种新的环状亚硫酸酯类有机溶剂——亚硫酸丁烯酯(BS).量子化学计算结果表明,亚硫酸丁烯酯有机溶剂分子的总能、LUMO值比碳酸丙烯酯有机溶剂的低,具有较强的得电子能力,不易被氧化.其作为添加剂与碳酸丙烯酯(PC)混合应用于锂离子电池中,可有效地抑制PC在石墨电极中的共插入,能显著改善循环性能.

固体聚合物水电解技术综述

介绍了固体聚合物水电解技术的优点和工作原理,描述了膜-电极组件及其各种制法,包括膜的预处理和杂质毒化机理,概述了集电器基体的选择和涂层涂敷方法、槽体结构设计中的几个关键问题,提出了固体聚合物水电解技术的未来发展方向。

电解液及其界面电化学性质的机理研究进展

电解液在锂离子电池中不仅起到传导离子的作用,其在电极界面所形成的电解液薄层在很大程度上决定了电极/电解液界面的性质,进而影响电池的循环稳定性、倍率性能和安全性能.锂离子电池得以成功商品化并广泛应用至今,与电解液在电极表面分解形成的固体电解质界面膜息息相关.本文简要综述界面电解液的电化学稳定性、分解规律和影响因素,旨在抛砖引玉,引起更多科学家对电解液及其界面性质研究的关注和重视.

锂离子电池电解液SEI成膜添加剂的研究进展

稳定的固体电解质界面(SEI)是提高锂离子电池电化学性能的关键,用电解液添加剂是改善锂离子电池性能最经济有效的方法之一。本文综述了近五年间包括不饱和酯化合物、含硫化合物、锂盐、无机化合物等作为电解液成膜添加剂在锂离子电池中的研究进展和作用机理,对它们的优缺点进行了评价,最后进行了总结和展望。未来成膜类添加剂的研究思路应该为:(1)应以有机物种为主,能够形成弹性模量小的SEI膜,便于适应阳极材料产生的膨胀行为。(2)添加剂要尽量保证形成的SEI膜与石墨等阳极材料产生良好的黏结,因此添加剂形成的聚合物的聚合度不能太小。(3)在没有性能极其优秀的成膜添加剂出现之前,添加剂的分子结构可以在现有的添加剂的基础上进行结构的优化或者官能团的设计。(4)重点攻关当前添加剂的应用的问题,提高添加剂的合成技术,降低合成成本。

改性电解液促进均匀锂沉积的研究进展

随着二次电池的逐渐发展,金属锂为负极的电池体系以其优异的能量密度脱颖而出,但其稳定性和安全性较差的问题亟待解决。电解液作为锂离子在正负极之间传输的载体,决定了锂离子的液相传输过程和迁移速率,同时还会与金属锂负极发生界面反应生成固体电解质界面膜(SEI),电解液的组分变化会极大程度上影响SEI膜的组成和结构。电解液改性能够有效调控金属锂沉积过程,是改善金属锂负极电化学性能的重要途径。本文从电解液对锂离子沉积的影响因素出发,分析了液相传质、SEI膜的形成、电荷转移等基本过程对锂离子沉积的调控机理,总结归纳了溶剂分子、锂盐浓度、添加剂等对金属锂沉积过程的影响,介绍了溶剂混用、复合锂盐、局部高浓度电解液、双功能添加剂等电解液改性促进均匀锂沉积的方法,分析了各种改性方法对实现均匀锂沉积的作用机理,并展望了这些方法的发展趋势。