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。

石榴石型固体电解质及其界面问题的研究现状

全固态锂离子电池相较于液态电池而言,其能量密度更高,安全性更好,符合未来锂离子电池的发展方向,而固体电解质是该类型电池的关键组件。其中,石榴石型电解质锂镧锆氧(Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12),LLZO)因具有较高的锂离子电导率及与金属锂的良好兼容性,有望成为有机电解液的替代品。本文综述了该类型固体电解质的离子迁移机理,以及不同掺杂位点及掺杂剂类型对结构和电性能的影响,特别介绍了现阶段石榴石型固体电解质的致密化技术及机理,调研了LLZO界面改性方面的进展,对石榴石型固体电解质在锂离子电池中的应用进行展望。

面向高性能锂-硫二次电池应用的非对称电极-电解质界面

锂-硫电池具有高的理论电芯比能量和低成本,是极具应用前景的下一代电化学储能技术,已被广泛研究。实用化锂-硫电池技术目前面临的挑战主要包括正极侧电活性硫物种在充放电过程中的不可逆损失,负极侧枝晶形核生长,以及因活性硫迁移至负极而导致的界面副反应,上述问题会导致电池工况条件下性能迅速衰退,引发电池失效和安全问题。本工作中,我们提出通过设计非对称的电极-电解质界面稳定锂-硫电池正负极电化学,协同促进电极/电解质体相和界面电荷输运,从而延长电池循环寿命,显著提升电化学性能。本文所讨论的策略有望指导电池界面理性设计,助力实现高性能的锂-硫电池。

石榴石型Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质离子电导率及电极界面问题研究进展

石榴石型Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)固态电解质因高安全性且对锂金属稳定成为固态锂电池的关键材料。但是,石榴石型固态电解质离子电导率还有待提高以及固-固界面不良接触导致的界面电阻大等问题使LLZO基固态电池的实际应用受到了限制。从石榴石型LLZO结构角度出发,探讨了锂离子输运机制并综述了提高离子电导率的策略及最新成果。针对固态锂电池无法避免的界面问题,从LLZO固态电解质与同为固态的电极接触方面,总结了优化界面的具体方法。最后,提出了石榴石型固态电解质未来可研究的方向,并促进其在全固态锂电池中的发展和应用。

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。

表面偏析在固体氧化物燃料电池阴极/电解质界面形成和反应中的作用

电极/电解质界面对高温固体氧化物燃料电池(SOFC)等电化学固态器件的性能和耐久性起着至关重要的作用。SOFC与液态电解质电池相比,SOFC的多孔电极和致密电解质之间的界面接触是不连续的,并且有显著的固体与固体(Solid-to-Solid,StS)接触特性。这种StS的接触特性在SOFC的表面偏析、电极/电解质界面和电极相界面反应性等现象中起到了关键作用,尤其是对于作为O_(2)还原反应、具有高混合离子和电子电导率和高活性等特点的钴基钙钛矿阴极材料。然而,对这些表界面现象的机理研究绝大部分集中在高温电极/电池烧结过程中所发生的钴基钙钛矿电极与氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)基电解质之间的高反应活性现象。电极直接组装技术的开发避免了传统高温烧结带来的相关不利问题,同时科研人员进一步研究了在SOFC运行条件下的免烧结电极/电解质界面形成和反应现象。简要回顾了在SOFC运行条件下具有电子导电La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3)和混合离子和电子导电的La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)免烧结钙钛矿电极与YSZ和掺钆氧化铈(GDC)电解质之间的极化、表面偏析和界面形成的基本原理和内在联系等的研究进展。明晰并理解电极/电解质界面的基本原理对于开发高性能和耐用的SOFC技术具有普遍且重要的意义。

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。

电极对固体电解质交流阻抗谱的影响

以Bi0.75Er0.20O1.475为电解质，通过真空溅射和涂浆料分解的方法制备了Pt、Pd、Au、Ag电极，详细研究了电极厚度、材料种类及制备方法对交流阻抗的影响，并对其原因进行了讨论，提出了一种等效电路。

固体电解质中的粒界·界面离子传导

本文综述了固体电解质材料中的粒界·界面离子传导现象及理论模型的发展概况。

基于硫化物固体电解质全固态锂电池界面特性研究进展

采用不可燃的无机固体电解质代替液体有机电解质的全固态锂电池,被认为是解决锂电池燃烧和泄漏等安全问题的终极解决方案之一。同时,锂金属负极的应用可以进一步提高电池的能量密度。近年来,得益于无机固体电解质锂离子电导率方面的突破,硫化物固体电解质被认为是最有前途的锂离子导体之一。然而,在该领域仍有许多挑战亟待解决,主要包括硫化物固体电解质的稳定性、硫化物固体电解质与电极之间的不稳定界面以及锂枝晶的形成与生长。因此,构建稳定的电极/固体电解质界面是实现高性能全固态锂电池的关键。本文针对当前基于硫化物固体电解质全固态锂电池面临的挑战和机遇,总结了目前存在的各种界面问题以及界面调控策略,最后探讨了全固态锂电池可能的研究方向和发展趋势。

采用BaCO_3—Li_2CO_3作电极的固体电解质CO_2传感器

采用NASICON(Na离子导体)与BaCO_3-Li_2CO_3电极相结合的方式,使新型CO_2传感器得到发展。据观察,其响应时间以及抗水湿性能都有了提高。对于CO_2浓度在1×10^(-4)～0.5这样宽的范围内,500℃时测得的电动势与能斯特方程符合的很好。该元件几乎不受共存的H_2S(10^(-4)),NO_2(10^(-4)),CO(10^(-4)),SO_2(10^(-4)),C_2H_5OH(10^(-4))、CH_4(5×10^(-3))以及NH_3(2×10^(-3))的影响。

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。

固体聚合物电解质水电解膜电极的电化学阻抗谱研究

测量了不同电解温度、电解电压等操作条件下固体聚合物电解质水电解膜电极的电化学阻抗谱,采用ZSimpWin软件对阻抗谱进行了拟合和分析。结果表明,提高电解温度,可减小电极的电化学反应电阻以及固体聚合物电解质膜的电阻;提高电解电压,电极的电化学反应电阻降低,但是电压过高,受气泡效应显著影响,电极反应电阻反而增加,阻抗谱中出现散乱的点;与质子交换膜燃料电池不同,SPE水电解过程中膜电极的阻抗谱出现"弥散效应",拟合时采用的等效电路也不同。

金属锂电极/聚合物电解质界面相容性研究进展

对聚合物电解质(PE)的研究主要包括两个方面:第一,在保持聚合物电解质机械强度的前提下提高其室温离子迁移性(包括离子电导率和锂离子迁移数);第二,改善聚合物电解质与电极,特别是与锂电极的界面相容性,即在降低锂电极/聚合物电解质(Li/PE)初始界面阻抗的同时增强其界面稳定性。改善Li/PE界面相容性对于锂聚合物蓄电池的商业化具有重要意义。综述了Li/PE界面研究特点及Li/PE界面研究的最新进展。

固体聚合物电解质水电解膜电极的制备方法

综述了固体聚合物水电解制氢膜电极的各种制备方法及其优缺点,指出了在这些方法中,喷涂法由于具有明显优势,最适合用于膜电极的大规模批量生产。

固体聚合物电解质大豆油氢化反应器中膜电极制备条件的研究

利用固体聚合物电解质氢化反应器,在60℃和常压条件下氢化大豆油。对固体聚合物电解质氢化反应器的核心关键部件膜电极的制备条件进行了优化研究。膜电极最佳制备条件为使用RuO_2为阳极催化剂,40%Pt/C为阴极催化剂,催化剂的载量均为0.6 mg/cm^2,其中阳极和阴极黏合剂占催化层总质量的30%,膜电极最佳热压压力为2 MPa。利用优化条件下制备的膜电极获得了碘值为110 g I/100 g油、反式脂肪酸仅为1.55%的氢化大豆油。

全固态锂离子电池正极与石榴石型固体电解质界面的研究进展

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。

固体氧化物燃料电池的电解质及电极材料的电导率研究方法

论述了晶体材料,重点是固体氧化物燃料电池组件的导电机理,介绍了影响电导率的几个因素。针对不同的电解质和电极材料,讨论了几种常用的测量电解质和电极总电导率、电子电导率以及离子电导率的方法,并指出在测量中需要注意的问题。

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。

IrO2改性钛网对固体聚合物电解质电解器集电极层电化学性能的影响

采用亚当斯熔融法（Adams fusion method）在钛网上包覆Ir O2催化剂,并将其用作固体聚合物电解质（SPE）电解器的阳极集电极,发现其可以显著降低电解过电位.通过X射线多晶衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）分析发现,包裹在钛网上的Ir O2催化剂晶粒为2.0~3.0 nm,结晶度良好;交流阻抗谱（EIS）和循环伏安（CV）分析结果表明,改性的钛网集电极层可增加三相反应活性点,使三相反应通道由催化层延伸到集电极层,活性催化剂表面积增大,从而大幅度降低了活化阻抗,电解性能获得提升.通过对不同Ir O2催化剂负载量改性的钛网进行研究发现,随着钛网负载Ir O2量的增加,在相同电流密度下,极化曲线的过电位先减小后增加,当Ir O2负载量为1.38%（质量分数）时,电解池的过电位最低,在1 A/cm2电流密度下,过电位为2.028 V.