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。

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。

硫化物固态电解质材料界面及其表征的研究进展

发展高能量密度和高安全性的全固态锂电池技术对于推动我国锂电池产业技术的更新换代,强化我国在这一领域的技术优势具有重要的现实意义.固态电解质是全固态锂电池的核心组成部分,其中硫化物固态电解质因其高的离子电导率、较好的机械延展性以及与电极良好的界面接触等优点,被认为是最具商业化潜力的固态电解质之一.然而其空气稳定性较差,与电极接触的界面存在界面副反应、锂枝晶生长及界面机械失效等缺点,严重制约了其在高能量密度全固态锂电池中的应用.本文首先综述硫化物固态电解质空气稳定性的研究方法及其退化机制、提高材料空气稳定性的策略与方法;其次对其与正负极界面的相容性、稳定性及其解决策略进行了总结与分析;最后总结归纳近年来电极/硫化物固态电解质界面的原位表征技术的研究进展,并展望了未来硫化物固态电解质材料界面的研究重点和发展方向.

石榴石型固态电解质/铝锂合金界面构筑及电化学性能

本文通过在锂负极中熔入少量铝制备了一种含Al-Li合金(Al4Li9)的新型复合锂负极,可有效改善Garnet/金属锂界面润湿性,从而显著降低了界面阻抗.XRD研究结果表明这一复合锂负极由Al4Li9合金和金属锂两相复合而成.SEM研究表明,复合锂负极可以有效改善金属锂与Garnet电解质的界面接触,形成更为紧密的接触界面.电化学测试表明,复合锂负极显著降低了金属锂与Garnet电解质的界面阻抗,界面阻抗由锂/Garnet电解质界面的740.6Ω·cm^2降低到复合锂负极/Garnet电解质界面的75.0Ω·cm^2.使用复合锂负极制备的对称电池在50μA·cm^-2和100μA·cm^-2电流密度锂沉积-溶出过程中表现出较低的极化和良好的循环稳定性,在50μA·cm^-2电流密度下,可以稳定循环超过400小时.

硫化物固态电解质Li10GeP2S12与锂金属间界面稳定性的改善研究

通过N-丁基-N-甲基哌啶双(氟磺酰)亚胺盐离子液体和双(氟磺酰)亚胺锂盐修饰了Li|Li10GeP2S12界面,并研究了界面的改性效果.研究结果表明,在界面处原位生成一层致密的固体电解质界面膜(SEI),具有一定流变性的离子液体可渗透到Li10GeP2S12晶粒内部;在0.1 mA/cm2的电流密度下,界面改性后的Li|Li10GeP2S12|Li对称电池可稳定循环1500 h以上,极化电压仅为30 mV.在2.5~3.6 V电压范围内, Li|Li10GeP2S12|LiFePO4电池在0.2C倍率下充放电循环的首次放电比容量为148.1 mA·h/g,库仑效率为95.8%,经过30次循环后容量保持率为90.1%.

基于分子动力学模拟的电化学界面储能虚拟仿真教学设计

电化学界面是电化学储能系统中的关键组成部分,电化学界面仿真实验在电化学实验教学中占有重要的地位。合理地设计基于分子动力学模拟算法的教学辅助仿真实验,使学生能够“看到”原子和分子层面的互动,从而深化对电化学原理的理解。基于经典伦纳德–琼斯(Lennard-Jones)势,采用分子动力学模拟技术构建多种典型电极/电解质界面模型,在模拟中引入与电化学实验测试中对应的循环伏安和恒流充放电技术,开展原位电化学充放电模拟,通过输出电极和电解质位置和数目动态变化曲线及原子位置演化轨迹,向学生展示了充放电过程中电极/电解质的微观结构变化。这种直观的展示不仅帮助学生更好地吸收和理解复杂的科学知识,而且激发了他们对学科的兴趣。同时,虚拟仿真还提高了教学的互动性和学生的参与度,有利于丰富实验内容增加实验趣味性提高教学质量。

NASICON结构Li1+xAlxTi2−x(PO4)3(0≤x≤0.5)固体电解质研究进展

锂离子电池在生活中的广泛应用大大提高了人们的生活品质。但是由于采用了易燃的有机液体电解质,传统锂离子电池存在安全风险,能量密度也受到了限制。使用固体电解质替代有机液体电解质发展全固态电池有望解决这些问题。在各种固体电解质中,NASICON结构固体电解质Li1+xAlxTi2−x(PO4)3(LATP,0≤x≤0.5)具有离子电导率高、耐环境稳定性好,合成条件温和等优势,因此有广阔的发展前景和应用潜力。本文先从晶体结构、离子扩散机理、合成方法、提升离子电导率的途径4个方面综述了LATP材料的研究进展;另外,电化学稳定性差以及和电极活性材料界面阻抗大的问题限制了LATP固体电解质在全固态锂电池中的应用,所以在后半部分总结了这些关键问题的解决途径和方法。最后指出,界面问题是限制LATP固体电解质在全固态电池中应用的主要问题,还需要发展更好的策略来进一步优化LATP与电极活性材料之间的界面。

石榴石型Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)复合固体电解质的研究进展

与Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)片状陶瓷固体电解质相比,LLZO复合固体电解质在复合材料的协同作用下,改善固体电解质与电极界面的润湿性,降低界面电阻,并抑制锂枝晶的生长,提高电池的循环稳定性。室温下离子电导率为10^(-4)~10^(-3) S/cm数量级。重点阐述了LLZO基复合固体电解质和LLZO/聚合物固体电解质的最新研究进展,讨论了LLZO含量、晶粒尺寸、微观形貌等对其锂离子传输途径、离子电导率和电池性能的影响,并提出了LLZO复合固体电解质的未来发展方向。

全固态锂离子电池固态电解质的研究进展

固态电解质(SSE)主要包括氧化物、硫化物、聚合物和复合型SSE。综述当前全固态锂离子电池SSE的研究进展,对电池内产生的空隙、晶界,以及电极与SSE在化学电位不匹配时,两种材料间自发地发生氧化还原反应,生成固体电解质相界面(SEI)膜和正极电解质界面(CEI)膜等问题进行分析;通过对比各电解质的优缺点,提出提高电解质的离子导电性、增强电极与电解质界面的相容性和优化系统设计等解决方法。

原位热聚合制备PVC-SN共混固态电解质及其性能

固态电解质的低离子电导率和不稳定的电解质/电极界面是阻碍固态锂电池发展的关键问题。本文采用原位热聚合法制备聚碳酸亚乙烯酯(PVC)和丁二腈(SN)共混固态电解质,研究SN对PVC固态电解质本征性能以及固态电解质/电极界面稳定性的影响。研究结果表明:具有较好抗氧化性的SN均匀地分布在固态电解质内部,促进锂盐解离的同时提高聚合物链段运动能力,实现对离子导电网络的增强。引入SN后,室温离子电导率从2.4×10^(−6) S/cm提升至1.213×10^(−3) S/cm,氧化分解电位从4.58 V提升至5.52 V。当w(SN)为10%时展现出优异的循环稳定性,放电比容量高达163.1 mAh/g。在充电过程中,SN上具有孤电子对的氰基与高活性过渡金属离子配位络合,可减少电解质/电极界面副反应,提高正极材料的结构稳定性。

石墨负极颗粒对锂离子电池容量衰减及SEI膜生长影响的模拟研究

以石墨为负极材料的锂离子电池在新能源领域应用广泛,但其长时间充放电循环后的容量衰减会显著缩短电池的使用寿命。负极表面固体电解质界面层(SEI)是影响电池循环寿命的主要因素之一,其生成反应除了受电解质组成和制备工艺影响外,还取决于石墨负极材料的结构。基于SEI膜的生长动力学,构建了电池容量衰减模型,模拟计算了石墨负极颗粒粒径对于电池容量衰减及SEI膜生长过程的影响。结果表明,负极材料颗粒粒径越大,SEI膜厚增加速度越快,电池使用寿命显著降低;在充放电循环过程中,首次循环容量衰减速度最快,随着后期SEI膜厚的增加,老化速率减缓并趋于稳定;溶剂在SEI膜中的扩散系数和SEI层孔隙率的降低,会减缓电池容量衰减速度;溶剂通过SEI膜向内扩散至电极表面的步骤是SEI膜连续生长过程中的控速步骤。研究结果可为锂离子电池石墨电极涂层制备工艺优化提供基础知识及指导。

固态电池无机固态电解质/电极界面的研究进展

全固态锂电池有望较好地提高电池安全性并实现高的能量密度,因此已成为二次锂电池发展的一个重要方向.发展具有高锂离子电导率、低电解质/电极界面阻抗及有较好应变性的固态电解质材料是全固态电池研究的重要研究课题.如何有效构筑电解质/电极界面,提高界面稳定性并显著降低界面阻抗又是其中的难点之一.本文综述了近年来国际上比较关注的两种无机固体电解质——硫化物与石榴石(garnet)型氧化物的最新研究进展,重点对这两类固体电解质与正负极材料的界面特性进行总结与评述.

全固态金属锂电池负极界面问题及解决策略

全固态金属锂电池有望提高当前商用锂离子电池的安全性及能量密度,被广泛认为是下一代电池的重要研发方向.其中的负极-电解质界面与电池性能紧密相连.本文将该界面存在的问题划分为静态及动态两方面,静态问题包括化学不稳定及物理接触差,体现在电池循环前的巨大阻抗,动态问题包括枝晶生长及孔洞形成,体现在电池循环过程性能的快速衰退.本文就静态及动态问题的起因及其解决策略进行分析,并对高性能全固态金属锂电池的设计策略作出展望.

锂硫电池中电极过程的原位可视化研究进展（英文）

锂硫电池被认为是极具应用潜力的下一代能源存储器件之一.在锂硫电池中,对电极-电解质界面物质结构和演变规律的深入探究及认知对其进一步发展至关重要.本文结合多种原位可视化技术,包括扫描探针显微术、电子显微术、X射线以及光学显微术,概述了近年来在锂硫电池中界面成像分析的研究进展.主要讨论了在硫正极界面、硫/硫化锂演变、多硫化物溶解以及在锂负极界面、固液界面层形成、锂沉积行为等问题,有助于理解锂硫反应的基本原理并提出优化方案.

直接组装法原位制备固体氧化物电池的电极研究进展

传统高温烧结(1000℃~1250℃)制备电极存在界面反应、微结构粗化等问题。最近研究表明,直接组装的电极在800℃及更低的温度下通过电化学极化可以原位形成电极/电解质界面。由于不经历高温烧结过程,直接组装法可将各种高性能氧电极材料直接运用在无隔离层的氧化锆电解质上,并且为低熔点和纳米结构材料的应用开辟新途径。概述了直接组装法制备电极的最新研究进展。

钠离子电池低温电解质的研究进展与挑战

钠离子电池因资源丰富、成本低廉、安全性高及环境友好等优势,在低速电动汽车、大型储能系统等领域备受关注。电解质作为电池的重要组成部分之一,承担着在正负极间传输离子的作用,对电池的循环寿命、倍率、安全性及自放电等性能具有重要影响。然而,在低温环境下,由于离子电导率下降、电解质与正负极兼容性变差、去溶剂化能升高、电极/电解质界面性质变差等问题,使得钠离子电池难以发挥理想的性能。本文总结了近年来对低温电解质的钠离子溶剂化结构及电极/电解质界面的新认识,并对基于氢键网络破坏、弱溶剂化、快速反应动力学及阴离子干预的低温电解质设计策略进行了系统分析。最后,提出深入理解电解质的钠离子溶剂化结构、电极/电解质界面性质与电解质低温性能之间的关系是未来从电解质角度提升钠离子电池低温性能的关键。

全固态锂硫电池的研究进展

以金属锂为负极、单质硫为正极活性物质的锂硫电池的理论比能量为2600 W·h/kg,是全部由固态活性物质组成的、比能量最高的一种二次电池。硫和锂储量丰富、成本低廉。采用固态电解质的全固态锂硫电池能够明显提高电池的安全性并有望提高电池的循环性能,已成为储能电池技术研究和开发的热点。本文综述了近年国内外的全固态锂硫电池的研究进展,从固体电解质、硫基正极、锂基负极、"电极/电解质"界面、固态电池制备方法等方面分别进行了综述,并对全固态锂硫电池未来的发展方向和发展前景进行展望。

拉曼光谱在锂离子电池研究中的应用

综述拉曼光谱(Raman spectroscopy)在锂离子电池碳负极材料、尖晶石LiMn2O4和LiFePO4正极材料、聚合物和室温熔盐电解质以及电极/电解质界面膜研究中的应用,分析了非原位拉曼测试手段与原位拉曼测试手段的优缺点,展望了这一领域目前有待解决的问题和可能应用的新技术.