凝胶聚合物电解质用于锂离子电池的研究进展

电解质在电化学储能中起着至关重要的作用。在锂离子电池(LIB)中,液体电解质(LE)在几十年的发展中表现出了优异的性能,如高的离子电导率(10-3 S/cm)和与电极良好的接触。然而,LE中的安全问题以及由枝晶生长引起的性能退化严重阻碍了LIB的实际应用。因此,聚合物电解质(PE)有望取代LE。固体聚合物电解质(SPE)虽然有很好的安全性和机械性能,但其受温度限制,离子电导率较低,且与电极接触较差,电池循环性较差。凝胶聚合物电解质(GPE)结合两者的优点,被认为是现有有机液体电解质的有效替代品,它可以用来制造更安全的锂电池。对现有聚合物基体的交联、共聚和混合改性——能够提高电解质的电化学性能的方法进行了综述。同时也对GPE在LIB中的最新研究进展进行了综述,并介绍了新型生物基凝胶电解质基体。最后,展望了制造性能优异的基于GPEs的LIB电池面临的挑战和发展方向。

锂单离子导电聚合物电解质的制备及界面稳定性

以苯乙烯磺酰(三氟甲基磺酰)亚胺锂(Li STFSI)、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGM)和2,2,3,3-四氟丙基甲基丙烯酸酯(TFMA)[或甲基丙烯酸八氟戊酯(OFMA)、甲基丙烯酸十二氟庚酯(DFMA)]为单体,合成了3种锂单离子导电聚合物电解质,并将其制成了隔膜,组装了CR 2025扣式电池。采用FTIR、SEM、EIS和线性扫描伏安法对隔膜进行了表征,对CR 2025扣式电池进行恒电位间歇滴定法测试。结果表明,合成的电解质膜具有较高的离子电导率(90℃,2.0×10^(-5)S/cm)、较宽的电化学稳定窗口(4.5 V)和高的锂离子迁移数(≈1)。电解质膜拥有较高的锂离子扩散系数(60℃,≥3.7×10^(-9)cm^(2)/s)。经热处理后,电解质膜与锂金属的界面稳定性得到明显提升,这归因于含氟侧链基团在聚合物电解质表面的富集。

石墨相氮化碳在聚合物电解质膜中的研究进展

燃料电池因具有能源转换效率高、近零污染、低噪音等优点受到广泛关注。聚合物电解质膜作为燃料电池的重要组成部件之一,其性能优劣决定了电池的实际表现。为解决聚合物电解质膜在稳定性及离子传导率方面存在的不足,无机纳米材料掺杂作为常规的改性手段应用到聚合物电解质膜材料中。近年来,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_4)因其独特的结构特征和优秀的物化性能,被广泛应用于聚合物电解质膜材料的制备和改性。本文主要综述了g-C_(3)N_4的结构和性质,总结了g-C_(3)N_4基复合膜的制备方法,重点对目前g-C_(3)N_4在聚合物电解质膜中的研究和应用情况进行了综述,展示了其在聚合物电解质膜改性方面的重要成果,并对其在该领域未来的发展做出展望。

气相SiO_(2)复合水凝胶聚合物电解质用于近中性锌-空气电池

近中性锌-空气电池具有对锌负极良好的沉积/剥离相容性和对空气中二氧化碳的化学稳定性,在长循环方面展现出极高的应用前景。然而,液态电解质固有的水分挥发问题和可穿戴设备所需的柔性等需求,限制了这一体系的实际应用。本研究复合了具有高离子电导率和机械强度的聚丙烯酰胺聚合物骨架、具有丰富硅羟基的保水添加剂气相SiO_(2)和对二氧化碳稳定的近中性电解液,制备了气相SiO_(2)复合水凝胶聚合物电解质(SiO_(2)-HPE)。所合成的SiO_(2)-HPE聚合程度高,表面孔道丰富且元素分布均匀。SiO_(2)表面丰富的硅羟基通过改变HPE中的氢键网络,加强了对水分子的束缚,SiO_(2)-HPE因此展现出了良好的保水性、优异的机械性能和较高的离子电导率,是一种理想的柔性锌-空气电池电解质。基于SiO_(2)-HPE组装的近中性锌-空气电池,在相对湿度为30%的条件下,循环寿命可达200 h。此外,基于SiO_(2)-HPE的柔性近中性锌-空气电池器件在弯曲和剪切等特殊条件下都展现出优异的性能,并且可作为电源为不同的用电器供电,是一种极具潜力的下一代电化学储能器件。

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。

单离子导体型聚合物电解质的研究进展

研发一种具有高能量密度、更长循环寿命和更高安全性的固态锂电池,是近几年为下一代电池设定的主要目标之一。传统液态电解质存在易燃、易泄露等缺陷,限制了其在锂离子电池中的应用。聚合物电解质具有更高的安全性能,兼具高可加工性、高柔韧性、低可燃性以及宽电化学窗口等优势,有望替代液态电解质,并在下一代高能量密度储能装置中极具应用潜能。与传统双离子导体聚合物电解质(DICPEs)相比,单离子导体型聚合物电解质(SICPEs)具有高的离子迁移数(tLi+接近1),可有效避免浓差极化的形成,抑制锂枝晶生长。文中总结了近几年SICPEs体系的研究进展,梳理了合成方法、分子结构设计,分析了当前单离子导体体系的主要挑战,并对未来该领域的发展方向进行了展望,为锂离子电池用单离子导体的研究提供技术创新方面的启发。

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。

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%。

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。

聚乙烯醇基凝胶聚合物电解质的制备及在锌离子混合电容器中的应用

锌离子混合电容器(ZIHC)兼有电池高能量密度和电容器高功率密度的特点,是下一代能源存储设备的有力竞争者,但电池型阴极-电容型阳极ZIHC的研究中使用的多为电解质溶液,容易泄漏而导致安全风险。针对这一问题,文中以纤维素、羟乙基纤维素和聚乙烯醇为原料,通过冷冻-解冻和电解液吸收的方法,快速制备了具有蜂巢状的三维网络形貌的凝胶聚合物电解质(GPE)。优化的GPE不仅具有良好力学性能(拉伸强度0.24 MPa、断裂伸长率289%),而且表现出较高的离子电导率(58.5 mS/cm)。使用GPE、二氧化锰阴极和活性炭阳极组成的ZIHC,其比电容和能量密度分别为31.5 F/g和15.0 Wh/kg,2 A/g充放电循环1.5×104次后比电容保持率约80%,展示出GPE在ZIHC领域中潜在的应用价值。原料环保和方便快捷的制备方法为能量存储和柔性可穿戴电子领域应用的GPE研究提供了新的思路。

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。

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。

阻燃凝胶聚合物电解质的制备及其性能研究

本工作采用原位聚合工艺制备阻燃凝胶聚合物电解质,将1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(HFE)引入电解质体系中,在提高电解质的阻燃性能的同时,还可以通过调节多硫化物的溶解程度来抑制锂硫电池的“穿梭效应”。对比未添加HFE(HFE-0)和添加不同含量HFE的电解质的阻燃性能和电化学性能发现,DOL、DME和HFE体积比为1∶0.5∶0.5时(HFE-0.5)凝胶聚合物电解质具有最优的阻燃性能和电化学性能。通过扫描电子显微镜(SEM)和电化学技术等表征测试手段,对比分析了使用HFE-0和HFE-0.5电解质的锂硫电池和磷酸铁锂电池的电化学性能及其相应的锂负极在循环后的表面形貌,结果表明,使用HFE-0.5电解质的锂硫电池在0.1 C的倍率下循环100圈后仍可保持706 mAh/g的放电比容量,容量保持率达到84.59%,循环性能明显优于未添加HFE的电解质。此外,使用HFE-0.5电解质的磷酸铁锂电池在0.2 C的倍率下循环110圈后的放电比容量仍可达到117.2 mAh/g,说明所制备的凝胶聚合物电解质也可适用于磷酸铁锂电池体系。本文设计的阻燃凝胶聚合物电解质有助于推动锂硫电池的发展和应用。

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。

导电聚合物电解质隔膜PEO/LiPCSI的制备及性能研究

以对苯乙烯磺酸钠为原料,通过酰化、氨解、离子交换和聚合反应制得单离子导体聚[(对苯乙烯磺酰)(氰基)亚胺锂](LiPCSI),以聚氧化乙烯(PEO)为聚合物基质,通过溶液浇铸法制备了导电聚合物电解质隔膜PEO/LiPCSI。采用傅里叶变换红外光谱仪、核磁共振波谱仪对LiPCSI的结构进行分析,采用扫描电子显微镜、热重分析仪和电化学工作站对电解质隔膜性能进行了表征。结果表明,氧锂摩尔比(EO/Li^(+))不同的电解质隔膜均具有良好的热稳定性,其中EO/Li^(+)=10的电解质隔膜电化学性能最优,其离子电导率为2.99×10^(-5)S/cm,锂离子迁移数接近于1(锂离子迁移数tLi^(+)=0.94),电化学稳定窗口达到4.77V。

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%。

基于互穿网络技术构筑环境友好型聚合物电解质膜及其电化学性能

以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为反应型乳化剂,丙烯酸丁酯(BA)、丙烯腈(AN)和丙烯酸(AA)为单体,利用互穿网络技术通过乳液聚合法制备了环境友好型聚合物电解质膜(M-ABAA),采用FTIR、XPS、SEM、TEM和TG对M-ABAA进行了表征;通过CV、EIS和充放电测试考察以M-ABAA为电解质膜组装的CR2032电池的电化学性能。结果表明,当m(AMPS)∶m(BA)∶m(AA)∶m(AN)=1∶3∶2∶2时,制备的M-ABAA(M2)的离子电导率为0.98 mS/cm,抗拉强度为7.53 MPa,断裂伸长率为90.4%,吸液率为150%,热收缩率为4%。M2与目前锂离子电池主流的正负极材料(LiCoO_(2)、LiMn_(2)O_(4)、LiFePO_(4)、NCM811)具有较好的相容性,普适性较好。以M2为电解质隔膜,金属锂为负极,分别以LiCoO_(2)和石墨为正极组装成半电池,0.2 C倍率下的首次放电比容量分别为141.3和347.1 mA·h/g,100圈循环后容量保持率分别为94.8%和85.0%;2.0 C倍率下,放电比容量分别为119.8和239.0 mA·h/g。

阻燃型凝胶聚合物电解质在碱金属电池中的研究进展

阻燃型凝胶聚合物电解质不仅具有良好的枝晶抑制作用,还具有不易泄漏、不可燃等高安全特性,可有效解决热失控或机械冲击等造成的安全隐患,在碱金属电池中具有重要应用前景。该文综述了阻燃型凝胶聚合物电解质在碱金属电池(涉及锂、钠、铝、锌等)中的研究进展。该文首先讨论了凝胶聚合物电解质的阻燃机理;其次,总结了阻燃型凝胶聚合物电解质的常用制备方法;再次,论述了不同类别阻燃型凝胶聚合物电解质在不同碱金属电池体系中的应用状况;最后,提出了目前存在的挑战和未来可能的发展方向。

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。