二维二氧化硅改性聚环氧乙烷基固态聚合物电解质用于增强锂离子电池性能

通过改性由酸蚀二维蛭石制备的二维二氧化硅,得到带正电荷的二维介孔二氧化硅(PSN+)纳米片,并将PSN+用作聚环氧乙烷(PEO)基固体聚合物电解质(SPEs)的填料。由于PSN+具有丰富的正电荷,PSN^(+)与锂盐解离的阴离子能够有效结合,从而促进锂离子的运输,获得较好的锂离子转移数。在50℃时,基于PSN^(+)的SPEs表现出较高的离子电导率(7.5×10^(-5)S·cm^(-1)),锂离子迁移数为0.30,稳定电压窗为4.41 V。因此,组装后的LiFePO_(4)锂电池在50℃、0.2C下具有优异的初始放电比容量(155.7 m Ah·g^(-1)),在循环100次后容量保持率为97.1%。

面向高比能固态电池的聚合物基电解质固化技术

聚合物基电解质是最具应用前景的固体电解质,它可以在很大程度上缓解甚至解决二次电池中电解液的泄漏、挥发、燃烧和爆炸等潜在安全问题。但是,聚合物基电解质的制备涉及到从液体到固体的固化过程,通常存在工艺烦琐、排放高、厚度难以控制等问题。特别是在规模化生产高比能固态电池过程中,电解质的界面相容性、均匀性、厚度及制备/加工便利性十分重要,这些因素对聚合物基电解质的固化工艺来说是一个较大的挑战。基于此,本文全面总结了聚合物基电解质制备的非原位固化和原位固化两种固化工艺的具体方法,并通过实例重点阐述了固化工艺、固化机理、材料选择、固化工艺优缺点及其在锂二次电池中的应用和研究进展。最后,我们评估并展望了面向高比能固态电池的聚合物基电解质固化的关键材料选择、关键科学及工艺问题、普适性、规模化应用挑战和未来发展趋势。本综述有助于深入理解面向高比能固态电池的聚合物基电解质的固化工艺,有望促进聚合物基电解质及其固态电池的规模化生产和应用。

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。

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。

聚合物基电解质在低温固态锂电池中的应用与挑战

由于其良好的柔韧性、与电极兼容性好、易加工等特点,聚合物基电解质在固态锂电池中极具应用前景。聚合物基固态电池可在室温下稳定工作,在低温下(≤0℃),聚合物电解质离子电导率的降低和缓慢的锂离子传输动力学导致电池极化增大,放电容量急剧衰减,且低温下枝晶生长更加严重,极大限制了固态电池在低温环境中的应用。本文通过对近期相关文献进行探讨,首先介绍了聚合物基电解质在低温下应用面临的挑战和局限,接着阐述了聚合物基电解质的离子传导机制,通过实例重点阐述了低温聚合物基电解质的设计策略及应用,包括添加无机/有机填料、引入液体塑化剂、分子结构工程等优化聚合物基电解质体相离子传导的方法,以及原位聚合和构建良好的固体电解质界面/正极电解质界面等优化聚合物基电解质和电极间界面离子传输的方法。最后,评估并展望了低温聚合物基电解质的传输机制、设计原则、制备方法的不足及创新。本文有望促进聚合物基电解质及其固态锂电池在低温下的应用。

一种锂电池用固态聚合物电解质结构与性能研究

以丙烯腈(AN)为单体,聚丙二醇双甲基丙烯酸酯(PPGDMA)为交联剂制备了丁二腈(SN)增塑的塑性PAN-co-PPGDMA交联聚合物-双三氟甲基磺酰亚胺锂(Li TFSI)复合电解质poly-SN40。研究表明,poly-SN40具有较宽的电化学窗口(0-5.2 V vs Li/Li^(+))和较高的室温离子电导率(1.27 mS/cm);组装的锂电池Li/ploy-SN40/LiFePO4的充放电实验表明,在0.5 m A/cm^(2)的电流密度下,电池能够正常、安全地循环使用;电池在0.2 C倍率下室温循环比容量超过133.5 m Ah/g,在200次循环后容量保持率为92%,表现出98.3%的优异平均库仑效率。

聚离子液体复合PEO制备高性能全固态聚合物电解质

用化学共沉淀法固态聚合物电解质(SPE)因其独特的安全性能受到越来越多的关注。以聚环氧乙烷(PEO)为基体,通过引入聚离子液体(PIL),制备了一种新型SPE(PIL@PEO SPE)。通过将PIL穿插于PEO链段中,有效降低了PEO的结晶度,提高了SPE的离子电导率(6.63×10^(-4)S/cm)。由其制备的固态电池在0.5C,60℃时,Li/LiFePO4电池首次放电容量高达147.6 mAh/g,经过长达300圈充放电循环,容量保留率仍然在90%以上。

构筑星形化合物提升交联网络固态聚合物电解质性能

通过巯基-丙烯酸酯点击反应引发三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)(TMPMP)或季戊四醇四-3-巯基丙酸酯(PETMP)分别与聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(PEGMA)进行UV辐照反应,制得星型化合物。TMPMP或PETMP为交联剂,PEGMA为星形化合物的支链。星形化合物的结构可通过变换不同的交联剂,并通过改变PEGMA的相对分子质量进行调节。将星形化合物掺入交联固态聚合物电解质中,固态电解质的机械性能、电化学性能均得到改善。固态电解质的拉伸强度达83.9 MPa,杨氏模量达180.4 MPa,断裂伸长率达49.9%,拉伸韧性达22.6 MJ/m^(3),室温离子电导率达2.8×10^(-5) S/cm。利用该固态电解质组装Li/LFP全固态锂金属电池,在0.1 C倍率下循环100次后剩余比容量为111.5 mAh/g,比容量保持率为77%。

锂离子电池聚合物基复合金属氧化物固态电解质研究进展

随着电动汽车的不断普及,锂离子电池(LIBs)的安全性备受关注。目前固态锂离子电池具有能量密度高和安全性好的优势,被认为是解决传统液态锂金属电池安全隐患和提高其循环性能的关键材料。然而,单一形式的固态电解质存在离子电导率低、界面阻抗大等问题,限制了固态锂离子电池的发展。近年来,基于无机填料与聚合物电解质的有机-无机复合电解质受到了广泛关注,有机-无机复合固态电解质兼有聚合物与无机填料的优点,一方面可以提高柔韧性,另一方面可以有效提高电池的机械性能。本文归纳总结了有机聚合物与无机金属氧化物复合固态电解质的不同类型,分析了基于不同聚合物与无机金属氧化物复合形成的有机-无机复合固态电解质对锂离子电池复合界面行为、离子电导率、电池机械性能的影响,并对复合固态电解质制备和应用过程中存在的问题和解决方法进行了梳理。最后对聚合物基复合金属氧化物固态电解质未来要重点解决的问题和发展方向进行了预测。

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。

锂电池聚合物基固态电解质的研究现状与进展

本文介绍了目前锂离子电池在电解质方面的发展现状与面临的挑战,指出固态电解质成为提高锂电池安全性与能量密度的研究关键。本文对各类聚合物电解质进行了分析,对可行的改进策略进行了讨论,分析表明聚合物基固态电解质与电极界面接触良好、易于加工,在实现高比能固态锂电池的发展上具有明显优势,有望大规模产业化应用。本文最后对未来聚合物基固态电解质的研究方向和前景进行了展望,采用交联、共聚、接枝、添加塑化剂等改性途径,以及有机与无机复合制备固态电解质的方法,是发展聚合物基固态电解质的关键策略。

高性能阻燃PEO固态聚合物电解质的制备与性能

易燃以及离子电导率低等固有缺陷限制了聚环氧乙烷(PEO)在锂电池中的发展。采用甲基丙酸乙二醇酯膦酸丁二醇酯(EMPBP)以及纳米二氧化硅制备的阻燃PEO膜的极限氧指数(LOI)为30.6%,垂直燃烧测试达到UL94 V-0级别,显示出良好的P-Si协同阻燃效果。当双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)质量分数达到20%时,FR-SPE4电解质膜在60℃下的离子电导率可达2.82×10^(-4)S/cm,并且具有4.82 V的宽电化学窗口。此外,FR-SPE4电解质与磷酸铁锂正极和锂负极组成的电池在50℃下循环100次后的容量保持率为91.7%,且该电池能够维持商用发光二极管(LED)的正常发光。

阻燃聚合物电解质高稳定锂负极界面研究进展

为高效发挥阻燃聚合物电解质所具备的轻质、柔性、固-固界面相容性好等优势,推动电化学能源存储体系向安全可靠的全固态转型,基于锂离子(Li^(+))配位团簇结构复杂等特点,分析分子间通过竞争作用调控阻燃聚合物电解质衍生的固体电解质界面膜(SEI)所面临的挑战,综述国内外阻燃聚合物电解质高稳定性界面构筑、锂离子配位结构设计、离子输运机制、界面热稳定性等方面的研究进展,预测聚合物电解质内部分子间作用主导调控的Li^(+)配位结构在提高锂金属-电解质稳定性领域的应用前景,展望未来全固态锂金属电池中阻燃聚合物电解质的研究发展方向。研究结果表明:调控Li^(+)配位团簇结构是提高锂金属负极/阻燃聚合物电解质界面稳定性的关键。研究结果可为全固态锂金属电池实际应用提供界面设计参考。

用于锂金属电池的支化聚合物电解质的分子设计及其性能研究

设计了在主链上密集接枝PEO侧链的聚合物固态电解质。实验采用原子转移自由基聚合(ATRP)等可控自由基聚合反应,得到了结构可控的支化聚合物。该聚合物以甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为主链,并采用ATRP将单体甲基丙烯酸六氟丁酯(TFBMA)和聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA)接枝到主链上。由于TFBMA中氟基团的作用使电解质具有更宽的电化学窗口。此外,支化结构致密的侧链,具有空间位阻效应可以防止侧链和主链缠绕,打破聚合物链的长程有序以抑制PEO的结晶,进而提高离子电导率。

聚合物固态电解质界面及其优化的研究进展

基于聚合物电解质的固态锂金属电池具有较高的安全性和稳定性,是下一代储能装置的理想选择。然而,电极与聚合物电解质之间的界面仍然是阻碍固态锂金属电池实际发展的关键问题。因此,对聚合物电解质与正负极之间的界面问题进行详细介绍,包括界面接触不良、电极相容性差以及锂枝晶生长,并总结了缓解界面问题的有效方法,展望了聚合物电解质界面的研究方向,为高能量密度固态锂金属电池的研发提供指导。

冠醚掺杂的聚合物固态电解质对全固态锂电池性能的影响

聚氧化乙烯(PEO)基固态电解质由于高的柔韧性、优异的加工性以及良好的界面兼容性等在全固态锂电池中极具应用前景,但其较低的室温离子电导率和较窄的电化学窗口限制了其高效应用。本工作采用溶液浇铸法将含有极性官能团的冠醚(15-C-5)分子分散在PEO/双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)基质中制备PEO/15-C-5聚合物固态电解质。重点探究冠醚含量对固态电解质中Li+传递的影响,同时对聚合固态电解质的形貌、力学性能、电化学性能进行系统研究。结果表明:10%15-C-5在PEO中分散性较好,可有效降低PEO的结晶度,进而提升PEO链段运动性,使其抗拉强度达1.83 MPa。15-C-5与锂离子间强的络合作用促进锂盐解离,同时对阴离子产生静电排斥,从而增强离子电导率并提高锂离子迁移数,30℃下离子电导率达到1.00×10^(-5)S/cm,60℃下锂离子迁移数达到0.42,分别是PEO电解质的4.5和1.9倍。另外冠醚与阴离子形成的静电排斥中心易捕获锂离子形成较为稳定的悬停位点,降低了PEO链段形成的O-Li络合活性位点促进C-O-C结构分解的可能性,从而提高PEO电解质的分解电压(从4.29 V到5.42 V)。与镍钴锰三元正极匹配的全固态锂电池展现出稳定的长循环性能,其在60℃、0.5 C的条件下初始放电比容量达到159 mAh/g,经100圈循环之后容量保持率达到89%。与磷酸铁锂正极匹配组装的全固态锂电池同样表现出优异的性能。

原位聚合制备基于聚离子液体的聚合物固态电解质

液态电解液存在泄漏爆燃隐患,在锂金属电池中的实际应用受限。基于离子液体制备的聚合物固态电解质(SPE)具有阻燃性好、热稳定性好、化学与电化学稳定性高等优点,在锂金属电池上的应用前景很好。设计合成一种离子液体单体(IL),并与碳酸乙烯亚乙酯(VEC)通过自由基聚合反应共聚,制备基于P(IL-VEC)的SPE。该SPE具有良好的热稳定性和阻燃特性,室温下离子电导率较高,可抑制锂枝晶的生长,达到稳定电解质与电极界面。以该SPE匹配磷酸铁锂正极组装的全固态锂电池,循环稳定性和倍率性能较好。以0.2 C倍率在2.8~3.8 V循环,初始放电比容量达154 mAh/g,并可稳定循环超过200次,在第230次循环时的剩余容量为118 mAh/g。

交联型全氟磺酸锂盐全固态聚合物电解质的合成及其性能研究

新能源存储与转换技术的开发与利用是全球关注的热点问题,也是实现“双碳”目标的重要途径。锂离子电池具有高工作电压、高能量密度、环保等优点,是减少碳排放的有效途径。与凝胶聚合物电解质相比,锂单离子全固态聚合物电解质(single lithium-ion conducting all-solid-state polymer electrolytes,SLIC ASPEs)在安全性、稳定性、电池效率等方面具有明显优势。为了探索新型SLIC ASPEs合成的新途径,以甲基丙烯酰氯、对溴苯酚和2(2碘四氟乙氧基)四氟乙基磺酰氟为初始原料,通过亲核取代反应和乌尔曼反应,合成了一种含全氟磺酸锂的新型甲基丙烯酯单体(MA PSF Li),通过自由基共聚合反应得到新型交联型SLIC ASPEs(PMAPEO co PMA PSF Li x,x为单体MA PSF Li与p BP MA的投料量比),利用核磁共振光谱表征了单体的结构,考察了PMAPEO co PMA PSF Li x膜的热稳定性、微相结构、离子传导率和机械强度等性能。结果表明:PMAPEO co PMA PSF Li 30膜的热分解温度为220℃,离子电导率达到29.5 mS/cm,抗拉强度为43 MPa。

刚柔并济聚氨酯基固态聚合物电解质

采用聚乙二醇(PEG2000)与对苯二异氰酸酯(PDI)及六亚甲基二异氰酸酯(HDI)嵌段共聚反应制备聚氨酯基体材料,向其中掺杂锂盐,制得固态聚合物电解质,并对所得材料进行了结构表征和电化学性能测试。结果表明:共聚反应降低了PEG的结晶度,使固态电解质的室温离子电导率达7.40×10^(-5) S/cm。PDI的刚性及HDI的柔性在体系中均得以呈现,使固态电解质的拉伸强度达61.6 MPa,杨氏模量达62.9 MPa,断裂伸长率达65.6%,拉伸韧性达22.7 MJ/m^(3)。利用所得固态电解质组装Li/LFP全固态锂金属电池,在0.1 C倍率下循环100次后放电比容量为121.3 mAh/g,容量保持率为82%。

固态锂电池用复合聚合物电解质的研究进展

与传统的锂离子电池相比,固态锂电池用固态电解质代替了传统的液态电解质,具有更高的安全性和能量密度,因此其关键部件固态电解质(SSE)受到了相当大的关注。固态电解质可分为三大类:无机陶瓷电解质、固体聚合物电解质和固体复合电解质。介绍了固态复合聚合物电解质的离子导电机制,展望了固态复合聚合物电解质未来的发展方向。