北科大制備新型電解質(zhì) 有效改善全固態(tài)鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性

2018-04-11 15:47:33 電磁中國　點擊量：評論 (0)

鋰硫電池具有高的理論比容量(1675 mAh g)和能量密度(2600 Wh kg)，已受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)液體電解質(zhì)鋰硫電池，普遍存在多硫化物的

鋰硫電池具有高的理論比容量(1675 mAh/g)和能量密度(2600 Wh/kg)，已受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)液體電解質(zhì)鋰硫電池，普遍存在多硫化物的溶解和鋰負極表面枝晶生長問題，降低了電池循環(huán)壽命和安全性。采用固體電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)則能有效解決上述兩個問題，固體電解質(zhì)能提高電池安全性并能阻止反應(yīng)過程中多硫化物的溶解。當(dāng)前，將固體電解質(zhì)應(yīng)用在鋰硫電池中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括：固體電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率低、力學(xué)性能差，與電極的界面阻抗大、界面穩(wěn)定性不高等。近日，來自北京科技大學(xué)的范麗珍教授研究團隊采用溶液澆鑄技術(shù)制備了一種以Polymer-in-salt型雙接枝聚硅氧烷電解質(zhì)為導(dǎo)鋰介質(zhì)，乙酸纖維素膜為骨架的兼具優(yōu)良導(dǎo)鋰能力和力學(xué)性能的復(fù)合固體電解質(zhì)。Polymer-in-salt型電解質(zhì)具有高的離子電導(dǎo)率，乙酸纖維骨架的引入有效提升了復(fù)合電解質(zhì)的力學(xué)性能。該電解質(zhì)不僅能夠抑制鋰負極表面的枝晶生長，而且可以有效阻止鋰硫電池中多硫化物的溶解和穿梭。以多壁碳納米管包覆的硫材料(MWCNT@S)為正極，組裝的全固態(tài)鋰硫電池具有優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能。該研究成果以“Dendrite-free Li metal deposition in all-solid-statelithium sulfur batteries with polymer-in-salt polysiloxane electrolyte”為題發(fā)表在Energy Storage Materials, 2018, 15: 37-45上。

聚硅氧烷基固體電解質(zhì)因其具有柔性高、潤濕性好、電壓窗口寬、易形成穩(wěn)定的電解質(zhì)/電極界面等優(yōu)點，受到了廣泛關(guān)注。但是，聚硅氧烷固體電解質(zhì)存在室溫離子電導(dǎo)率低、機械性能差等缺點。通過對聚硅氧烷基體進行雙接枝結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及在電解質(zhì)中使用高質(zhì)量分數(shù)的鋰鹽，得到的polymer-in-salt型雙接枝聚硅氧烷(BPSO)電解質(zhì)可以有效提高其離子導(dǎo)電能力。通過溶液澆鑄法，以上述polymer-in-salt型BPSO電解質(zhì)為導(dǎo)鋰介質(zhì)，乙酸纖維網(wǎng)絡(luò)為剛性骨架開發(fā)的兼顧離子電導(dǎo)和力學(xué)性能的新型復(fù)合固體電解質(zhì)。該電解質(zhì)的抗拉強度達6.8 MPa，且室溫離子電導(dǎo)率為4.0×10^-4 S/cm，此外，該電解質(zhì)還具有寬的電壓窗口和良好的熱穩(wěn)定性能。

隨后，作者對該復(fù)合固體電解質(zhì)在抑制鋰枝晶生長和多硫化物溶解方面的性能進行研究。對比液體電解質(zhì)，采用復(fù)合固體電解質(zhì)的對稱鋰電池和全固態(tài)鋰硫電池在整個測試范圍內(nèi)電池的循環(huán)穩(wěn)定性都明顯提高，循環(huán)后的鋰片表面光滑，無枝晶生長，且與鋰負極接觸一側(cè)的電解質(zhì)膜顏色無明顯變化，多硫化物的穿梭效應(yīng)能夠得到有效抑制。