近日，我校胡寧教授團隊在鋰電池領域取得新的研究成果，并發表在國際頂級期刊Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202205560）上。
傳統鋰電池含有大量有機液體電解質，存在著起火甚至爆炸的隱患，而且能量密度低，難以滿足航空航天、新能源汽車等新興戰略產業的要求。采用固態電解質取代有機電解液而發展起來的固態電池，是一種新型儲能技術，有望解決傳統鋰電池的安全性問題，并能提高電池能量密度，應用于新能源汽車領域。作為固態電池的核心材料，發展兼具室溫離子電導率高、離子遷移數大、與金屬負極以及高壓正極相容性好的固態電解質材料，具有非常重要的研究意義。
胡寧教授、重慶大學宋樹豐副教授和廈門大學楊勇教授等，通過原位熱引發自由基聚合反應，設計研究了一種“Superconcentrated Ionogel–in–Ceramic”（SIC，陶瓷中高濃度離子凝膠）固態電解質。該電解質不僅表現出超高的室溫鋰離子電導率（1.33×10-3 S cm-1），并且具有0.89的超高鋰離子遷移數，且電化學窗口達5.5 V，匹配金屬鋰負極和NCM523、LiFePO4 的固態電池表現出優異的循環穩定性。相關工作以“Enabling High–Voltage “Superconcentrated Ionogel–in–Ceramic” Hybrid Electrolyte with Ultrahigh Ionic Conductivity and SingleLi+–ionTransference Number”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202205560）上。第一作者為重慶大學博士研究生翟艷芳，我校胡寧教授、重慶大學宋樹豐副教授和廈門大學楊勇教授為論文的通訊作者。
該研究中，通過將石榴石(LLZO)電解質納米顆粒與高濃度離子凝膠(3m LiTFSI-EmimFSI-PMMA)有機結合，形成了一種高壓單離子導電的“陶瓷中高濃度離子凝膠”(SIC)新型固態電解質。同時采用原位聚合的方法，來解決離子凝膠中聚合物在離子液體中的不混溶問題以及界面問題。制備流程如下圖所示。與商業PP隔膜相比，所制備的SIC電解質具有更高的耐熱性(圖c)。
圖1 (a) PMMA自由基聚合反應. (b) SIC電解質的設計示意圖.(c) SIC電解質與商用PP隔膜的耐熱性比較.
電解質是電池的關鍵組成部分之一，它不僅能分離陰極和陽極，還能輸運離子。在陶瓷和高濃度離子凝膠界面上的強烈化學相互作用導致一個集成的結構，使電解質在室溫下表現出1.33 × 10-3 S cm-1 的高離子電導率，滿足電解質的實際應用要求，且在零下30℃離子電導率仍為1.68×10-5 S cm-1，優于多數電解質材料。且該電解質電化學窗口為5.5 V，電子電導率僅為3.14 × 10?10 S cm?1，Li離子遷移數高達0.89，超高的離子電導率和較大的Li離子遷移數結合，使該電解質在鋰金屬電池的應用中具有廣闊前景。
圖2(a) SIC電解質和高濃度離子凝膠室溫交流阻抗譜.(b) SIC電解質和高濃度離子凝膠的電導率-溫度曲線.(c) SIC電解質直流極化曲線.
(d) SIC電解質和高濃度離子凝膠的線性掃描伏曲線.(e) SIC電解質對稱電池的電流時間-曲線.(f) 高濃度離子凝膠的對稱電池的電流時間-曲線.
圖3 (a)Li‖LiFePO4固態電池的容量-電壓曲線.(b)Li‖LiFePO4固態電池的循環.(c)Li‖LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2固態電池的容量-電壓曲線. (d)Li‖LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2固態電池的循環.(e) SIC/NCM523界面SEM/EDS圖.
通過液相前驅體的原位聚合形成復合電解質，可以解決電解質和電極之間的高界面電阻問題。研究團隊利用陶瓷和超濃縮離子凝膠的優點，包括良好的鋰金屬穩定性和穩定的電解質/正極截面，組裝了Li‖NCM523和Li‖LiFePO4固態電池，Li‖LiFePO4電池在25℃，倍率為1C的條件下穩定工作300圈，且庫倫效率接近于100%。而Li‖NCM523電池在室溫和1C條件下的良好循環，表明該電解質可以與高壓（4.3V）正極材料相匹配。且從SEM圖可以看出SIC電解質與NCM523緊密結合在一起，從N和F的EDS圖中可以看出，離子凝膠浸潤在正極材料內部，從而導致低的界面電阻。因此，這種“陶瓷中高濃度離子凝膠”固態電解質為高安全、高能量密度鋰金屬電池提供了一條新的途徑。
該研究工作得到了河北省重點研發計劃、河北省自然科學基金創新研究群體、天津市科技計劃等項目的資助和支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.20220556
材料來源：胡寧教授團隊 編輯：閆涵 審核：胡寧
