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化解固態(tài)電池SEI膜問(wèn)題固態(tài)電解質(zhì)開發(fā)了新思路

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:816次  |  2022年09月29日  

根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員的說(shuō)法,使用新開發(fā)的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)可以實(shí)現(xiàn)具有更高能量密度,性能和安全性的可充電鋰金屬電池。


對(duì)于更高能量密度目標(biāo)的進(jìn)一步達(dá)成,以金屬鋰為負(fù)極的鋰金屬電池已成為必然選擇。這是因?yàn)殇嚱饘俚娜萘繛?860mAh/g,約為石墨的10倍,由于其本身就是鋰源,正極材料選擇面寬,可以是含鋰或不含鋰的嵌入化合物,也可以是硫或硫化物甚至空氣,分別組成能量密度更高的鋰硫和鋰空電池。


鋰金屬電池的研究最早可追溯到上世紀(jì)60年代,但金屬鋰負(fù)極在液態(tài)電池中存在一系列技術(shù)問(wèn)題至今仍缺乏有效的解決方法,比如金屬鋰與液態(tài)電解質(zhì)界面副反應(yīng)多、SEI膜分布不均勻且不穩(wěn)定導(dǎo)致循環(huán)壽命差,金屬鋰的不均勻沉積和溶解導(dǎo)致鋰枝晶和孔洞的不均勻形成,從而引發(fā)安全問(wèn)題。


基于以上原因,很多研究者把解決金屬鋰負(fù)極的應(yīng)用問(wèn)題寄希望于固態(tài)電解質(zhì)的使用。主要思路是避免液體電解質(zhì)中持續(xù)發(fā)生的副反應(yīng),同時(shí)利用固體電解質(zhì)的力學(xué)與電學(xué)特性抑制鋰枝晶的形成。


SEI是穩(wěn)定可充電電池鋰金屬負(fù)極的關(guān)鍵,然而,由于受到循環(huán)不斷改造和電解質(zhì)消耗。SEI分布不均勻和不穩(wěn)定是技術(shù)研發(fā)的難題。

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-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員的說(shuō)法,使用新開發(fā)的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)可以實(shí)現(xiàn)具有更高能量密度,性能和安全性的可充電鋰金屬電池。


在上述研究人員在NatureMaterials的一篇論文中,介紹了使用反應(yīng)性聚合物復(fù)合材料SEI設(shè)計(jì),有效地抑制了SEI形成和維護(hù)電解質(zhì)消耗。


該文章的作者王東海(音譯)在文章中表示,SEI膜通過(guò)鋰和電池中的電解質(zhì)之間的反應(yīng)自然形成。但它表現(xiàn)不佳導(dǎo)致很多問(wèn)題。這就是鋰金屬電池不能持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間的原因,在這個(gè)研究項(xiàng)目中,我們使用聚合物復(fù)合材料來(lái)創(chuàng)造更好的SEI。


新的SEI層由聚合鋰鹽,氟化鋰納米顆粒和氧化石墨烯片組成。該結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的電解質(zhì)衍生的SEI,并且具有優(yōu)異的鈍化性能,均勻性和機(jī)械強(qiáng)度。


該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō),使用聚合物-無(wú)機(jī)SEI能夠在貧電解質(zhì)下,限制鋰過(guò)量和高容量條件下實(shí)現(xiàn)高效鋰沉積和4VLi|LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2電池的穩(wěn)定循環(huán)。同樣的方法也適用于設(shè)計(jì)鈉和鋅陽(yáng)極的穩(wěn)定SEI層。

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業(yè)內(nèi)分析說(shuō),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰界面需要大量的分子水平控制。王海東團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的聚合物反應(yīng)與鋰金屬表面形成爪狀鍵合。它以無(wú)源方式賦予鋰表面所需的能量,使其不與電解質(zhì)中的分子發(fā)生反應(yīng)。復(fù)合材料中的納米片充當(dāng)機(jī)械屏障以防止由鋰金屬形成枝晶。


通過(guò)化學(xué)和工程設(shè)計(jì),各領(lǐng)域之間的合作使該技術(shù)能夠在原子尺度上控制鋰表面。反應(yīng)性聚合物還降低了重量和制造成本,進(jìn)一步增強(qiáng)了鋰金屬電池產(chǎn)業(yè)化的可能性。


據(jù)悉,該項(xiàng)目還獲得了美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的車輛技術(shù)辦公室的支持。

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