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原位聚合直接集成固态锂电池

锂电联盟会长 2023-02-17 09:43
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随着社会的不断进步和人们生活质量的提高，锂电池在电子设备和电动汽车领域应用迅速增长，传统锂电池使用挥发性和易燃性的液态电解质使其安全问题频发，固态电解质（SSEs）的使用可显著提升电池安全问题。近年来SSEs研究取得较大进展，然而由于组成电极的多相接触使其内部固-固相间接触不良，导致电池能量密度、倍率性能及循环性能提升受限。此外，传统电极中还需要添加导电剂和粘结剂，如果电极中的粘结剂将活性物质与导电剂隔离，则电子传输受阻，电池充电/放电性能恶化。

近日，江西理工大学刘先斌、吴子平和华中科技大学夏宝玉教授团队通过1, 3-二氧戊环（DOL）的简单原位聚合，利用构建以碳纳米管（CNTs）网络固定活性物质电子导电框架，实现了具有互连电子和离子导电通道的高性能固态锂电池。
图1. 集成锂电池流程和SSE聚合机理。

通过SSEs直接集成锂电池如图1所示。通过将正极、隔膜和负极用SSE紧密结合在一起。CNTs网络作为粘合剂、导电剂和集流体固定活性物质，活性物质载量在电极中可达30 mg cm-2。由于CNTs固定的活性物质和SSE前驱体间良好润湿性，具有低粘度的液态前驱体迅速渗透到电极中，在SSE聚合后，整个电极内物质被直接固定集成，可实现电子/离子在连续致密的界面上传输。
图2. 复合集成电极的内部形态及电子离子传输性能

极内活性颗粒被CNTs三维网络紧紧裹住，SSE包覆在CNTs网络结构外，形成了CNTs和SSE双包覆结构（图2）。因此，电子可通过CNTs的连接在活性物质间快速转移，离子可从致密的SSE骨架传递到活性物质表面。导电原子力显微镜（CAFM）对电极电导率进行了评估，集成后电极中颗粒相互连接，呈现出4.5 Ω sq-1的方块电阻，电极的锂离子扩散系数高于10-11 cm-2 s-1，从而显示出较好的电子和离子传输效果。
图3. 锂箔为负极时集成电池的性能

通过该法以锂箔为负极组装的电池具有稳定循环性能，库伦效率达99.8%，具有2.3 mAh cm-2的面容量和242 Wh Kg-1的能量密度。获得的电池具有稳定的极化电压和低电荷传输阻抗，因而在10 C倍率下依然有99.6 mAh g-1的放电比容量，复合电极在负载19.4 mg cm-2 磷酸铁锂（LFP）时能保持很好的安全性能，即使在电池裁剪或针刺后依然能稳定工作。
图4. 复合集成电极组成和结构模拟分析

为了理清电池优异电化学行为的原因，作者通过对集成的电极进行了微米级X射线计算机断层扫描（micro-CT）。结果表明，电极中CNTs、LFP和PDL体积分数分别为26.9 %、39.7 %和30.3 %，集成电极中的孔隙率仅为3.1 %，说明大多数孔隙和空隙被SSEs占据。通过COMSOL Multiphysics基于重建的三维图像也说明了其快速的电子和离子传输能力。此外，作者还计算了DOL和三氟甲磺酸铝在CNTs和LFP吸附下发生聚合反应的能量变化。结果表明，有效的电子和离子传输是可能的，集成电极具有优异的电化学反应动力学。

综上，该团队提出的构建具有互连导电界面的直接集成固态电池，可使CNTs、SSEs和活性物质间实现致密接触，减少电极内部复杂界面，提高电子和离子转移的效率。因此，获得了高能量密度、高倍率性能和长寿命且安全的锂电池，该工作为提高固态电池内部的电化学反应提供了一种新策略。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
In‐situ Polymerized 1, 3‐Dioxolane Electrolyte for Integrated Solid‐State Lithium Batteries
Ye Qian Mi, Wei Deng, Chaohui He, Osman Eksik, Yi Ping Zheng, De Kun Yao, Xian Bin Liu, Yan Hong Yin, Ye Sheng Li, Bao Yu Xia, Zi Ping Wu
Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202218621

导师介绍
夏宝玉
https://www.x-mol.com/university/faculty/270448
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