用于鋰金屬電池的復合固態(tài)電解質(zhì)

時間:2019-05-08 10:34來源:清新電源 作者:劉肖燕
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      一、傳統(tǒng)液態(tài)有機電解質(zhì)的缺陷
 
       ◆ 熱穩(wěn)定較差、易燃;
       ◆ 漏液可能;
       ◆ 易在鋰金屬表面分解,縮短電池壽命;
       ◆ 無法有效抑制鋰枝晶生長,引起電池短路、起火及爆炸。
 
      二、復合固態(tài)電解質(zhì)的必要性
 
       利用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)是提升鋰金屬電池壽命和安全性的途徑之一。目前主流的固態(tài)電解質(zhì)有兩種:
 
       ★ 聚合物固態(tài)電解質(zhì):具有良好的柔性、穩(wěn)定的界面和易操作性,但其低溫下的鋰離子導電率較低。由鋰鹽分散至高分子材料,如聚乙二醇(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等制成。 
       ★ 無機陶瓷固態(tài)電解質(zhì):通常具有高離子導電率和阻燃性,但與電極的界面穩(wěn)定性差、界面阻抗大。常見材料包括鈣鈦礦型、石榴石型、NASICON、硫化物等電解質(zhì) 。
 
       上述固態(tài)電解質(zhì)的缺陷(離子電導率低、界面阻抗大)卻是液態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢。因此,集聚合物電解質(zhì)、無機電解質(zhì)甚至液態(tài)電解液之長的復合型固態(tài)電解質(zhì)是具有潛力的高性能鋰金屬電池電解質(zhì)。
 
      三、復合固態(tài)電解質(zhì)綜述
 
       浙江大學吳浩斌研究員(通訊作者)和上海師范大學劉肖燕博士合作在Chemistry-A European Journal上發(fā)表了題為“Recent Progress of Hybrid Solid-State Electrolytes for Lithium Batteries”的綜述文章,對層狀聚合物-無機復合固態(tài)電解質(zhì)、混合型聚合物-無機復合固態(tài)電解質(zhì)、無機-液態(tài)復合固態(tài)電解質(zhì)和框架材料-液態(tài)復合固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計原則、離子導電機理、電化學性能及構(gòu)效關(guān)系進行了綜述和討論(圖1)。文末還對復合固態(tài)電解質(zhì)所面臨的問題和未來應用前景進行了分析和展望。下文將對文章內(nèi)容做簡要展開,完整內(nèi)容請參見原文(鏈接附后)。 
 
     【圖文導讀】
 
圖1.復合固態(tài)電解質(zhì)
 
(a)復合固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計原則;(b)本文涉及的四類復合固態(tài)電解質(zhì)。HSSE: Hybrid Solid State Electrolyte,復合固態(tài)電解質(zhì)。

[圖片來源:Liu X. et al., Chem. Eur. J. 2018, 24, 18293-18306]
 
      1.層狀聚合物-無機陶瓷復合固態(tài)電解質(zhì)
 
       由于無機陶瓷固態(tài)電解質(zhì)與電極的界面接觸性能較差,且容易發(fā)生副反應,導致界面阻抗大、穩(wěn)定性差。雖然通過添加少量液態(tài)電解質(zhì)或修飾界面可降低阻抗,但界面副反應仍難以徹底消除。采用柔性聚合物固態(tài)電解質(zhì)與無機陶瓷復合,形成“三明治”型層狀復合固態(tài)電解質(zhì)可優(yōu)化電極與電解質(zhì)間的界面接觸,同時消除副反應,穩(wěn)定界面。
圖2.(a-c)鋰硫電池層狀GPE/LAGP/GPE復合固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖(a)充電-靜置-放電曲線(b)和循環(huán)壽命(c);GPE: PEO(聚乙二醇)聚合物電解質(zhì);LAGP:NASIOCN陶瓷電解質(zhì) Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3;(d)層狀聚合物-無機復合固態(tài)電解質(zhì)三明治結(jié)構(gòu)示意圖及聚(乙二醇)甲醚丙烯酸酯分子結(jié)構(gòu);(e)固態(tài)鋰金屬電池聚合物電解質(zhì)(e1和e2)、無機陶瓷電解質(zhì)(e3)和聚合物-無機復合固態(tài)電解質(zhì)(e4)結(jié)構(gòu)示意圖。
 
[圖片來源:(a-c)Wang Q. et al., Chem. Commun. J.2016, 52, 1637-1640;(d)Zhou W. et al., Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 753-756;(e)Duan H. et al., J. Am. Chem., Soc.2018, 140, 82-85] 
 
      2.混合型聚合物-無機復合固態(tài)電解質(zhì)
 
       混合型的復合固態(tài)電解質(zhì)是將高離子導電性的無機固態(tài)電解質(zhì)顆粒分散至聚合物中制成。這種結(jié)構(gòu)既可降低聚合物結(jié)晶程度又能實現(xiàn)鋰離子在無機電解質(zhì)中的遷移傳導,從而大大提高復合固態(tài)電解質(zhì)的離子導電率。
圖3.(a)具有柔性固態(tài)LFP/PEO:LLZTO/Li電池示意圖;LFP:正極磷酸鐵鋰;LLZTO:無機固態(tài)電解質(zhì)顆粒Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12;(b)PEO, PEO:LLZTO, LLZTO固態(tài)電解質(zhì)的離子導電率隨溫度變化關(guān)系;(c)鋰金屬在具有錨定陰離子的固態(tài)電解質(zhì)(左)和陰離子可移動的傳統(tǒng)液態(tài)電解液(右)中的沉積形貌示意圖;(d)鋰離子在不同組分的LLZO-PEO(LiTFSI)復合固態(tài)電解質(zhì)中的遷移路徑示意圖;LLZO:無機固態(tài)電解質(zhì)顆粒Li6.4La3Zr2Al0.2O12;LiTFSI:一種鋰鹽;(e-f)PVDF/LLZTO-CPEs復合固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)(e)離子導電率隨LLZTO含量變化(f)和組裝電池的循環(huán)性能圖(g)。
 
[圖片來源:(a,b)Zhang J. et al., Nano Energy 2016, 28, 447-454;(c)Zhao C. Z. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2017, 114, 11069-11074;(d)Zheng J. et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 4113-4120;(e-g)Zhang X. et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13779-13785]
 
      3.具有特定結(jié)構(gòu)的混合型聚合物-無機復合固態(tài)電解質(zhì)
 
       將具有特定納米結(jié)構(gòu)(一維或三維等)的無機固態(tài)電解質(zhì)與聚合物復合可為鋰離子傳導提供不間斷的傳輸通道,可進一步提高該類復合固態(tài)電解質(zhì)的離子導電率。
圖4.(a,b)有序排列的聚合物-無機復合固態(tài)電解質(zhì)示意圖及其阿侖尼烏斯曲線(離子電導率隨溫度的變化關(guān)系);(c)PEO-網(wǎng)狀石榴石納米纖維復合固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖;(d-f)聚合物-納米顆粒復合固態(tài)電解質(zhì)(d)和聚合物-3D框架復合固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)及導電機理示意圖(e、f)。
 
[圖片來源:(a,b)Liu W. et al., Nat. Energy 2017, 2, 17035;(c)Fu K. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2016, 113, 7094-7099;(d-g)Bae J. et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2096-2100]
 
      4.無機-液態(tài)復合固態(tài)電解質(zhì)
 
       向液態(tài)電解質(zhì)中添加無機納米顆?蓪崿F(xiàn)液態(tài)電解液向固態(tài)或準固態(tài)轉(zhuǎn)化,在保證較高離子導電率的同時具備固態(tài)電解質(zhì)的特點。特別是具有豐富孔道結(jié)構(gòu)的無機納米基體,可以通過物理吸附和化學鍵合實現(xiàn)液態(tài)電解液的固態(tài)化,形成鋰離子傳輸通道。
圖5.(a)SiO2-RTIL-LiTFSI/PC復合固態(tài)電解質(zhì);RTIL:室溫離子液體;PC:碳酸丙烯酯;(b)PIL/TEOS/Li-IL復合固態(tài)電解質(zhì)的化學機構(gòu)、三相圖及外觀圖;PIL:聚離子液體;TEOS:四乙氧基硅烷;(c)空心SiO2納米球-液態(tài)復合固態(tài)電解質(zhì)示意圖;(d、e)BAIE(類蟻巢復合固態(tài)電解質(zhì))-1.0 中無機基體與液態(tài)組分間的相互作用(d)和鋰離子遷移路徑(e)示意圖;(f)電解質(zhì)BAIEs 和 ILE的離子電導率隨溫度變化關(guān)系。
 
[圖片來源:(a)Lu Y. et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 11562-11566;(b)Li X. et al., J. Mater. Chem. A 2016, 4, 13822-13829;(c)Zhang J. et al., Nano Lett. 2015, 15, 3398-3402;(d-f)Chen N. et al., Energy Environ. Sci. 2017, 10, 1660-1667]
 
       5.有機框架化合物(MOF)–液態(tài)復合固態(tài)電解質(zhì)
 
       6.共價有機框架化合物(COF)-液態(tài)復合固態(tài)電解質(zhì)
 
       MOF、COF等框架材料具有豐富的孔道和可控化學結(jié)構(gòu),是制備復合型固態(tài)電解質(zhì)的良好基體。通過官能團的調(diào)節(jié),使電中性的框架材料顯示出正電性或者負電性,從而直接或間接的對鋰離子進行錨定,構(gòu)筑鋰離子傳輸通道。
 
圖6.(a)Mg2(dobdc) MOF結(jié)構(gòu)示意圖(dobdc為該MOF配體);(b)MOF-IL復合固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)及界面潤濕示意圖;(c)陰離子型框架材料的制備及MIT-20(上)和MIT-20d(下)的晶體結(jié)構(gòu);(d)MIT-20-LiCl、MIT-20-LiBr、MIT-20-Na和MIT-20-Mg的離子電導率隨溫度的變化關(guān)系;(e-f)鍵合ClO4–離子的MOF框架中的仿生離子通道(e)和使用該電解質(zhì)的對稱鋰金屬電池循環(huán)穩(wěn)定性。
 
[圖片來源:(a)Wiers B. M. et al., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14522-14525;(b)Wang Z. et al., Adv. Mater.2018, 30, 1704436;(c、d)Park S. S. et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13260-13263;(e、f)Shen L. et al., Adv. Mater.2018, 30, 1707476] 
圖7.(a)多孔CB[6]基復合固態(tài)電解質(zhì)及其鋰離子傳輸路徑示意圖;(b)ICOF-1和ICOF-2結(jié)構(gòu)示意圖;(c-d)CD-COF-Li電解質(zhì)中鋰離子傳輸示意圖和相應的鋰對稱電池性能圖;CD:環(huán)糊精;(e、f)陽離子型Li-CON-TFSI COF框架中鋰離子傳導及離子解離示意圖;CON:COF納米片;(g)未修飾和長鏈烷氧基修飾的Li+@TPB-DMTP-COF結(jié)構(gòu)示意圖。TPB:1,3,5-三(4-氨苯基)苯;DMTP:2,5-二甲氧基苯-1,4-二甲醛。
 
[圖片來源:(a)Park J. H. et al., Chem Commun. 2015, 51, 9313-9316;(b)Du Y. et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1737-1741;(c、d)Zhang Y. et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 129, 16531-16535;(e、f)Chen H. et al., J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 896-899;(g)Xu Q. et al., J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 7429-7432]
 
     【小結(jié)及展望】
 
       近年來,固態(tài)電解質(zhì)因高安全性和鋰枝晶生長抑制等功能受到了廣泛關(guān)注和研究。復合型固態(tài)電解質(zhì)可以綜合多種固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點,提高固態(tài)電池的性能。通過精確控制復合固態(tài)電解質(zhì)的組分和結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)對其機械性能、離子導電率、界面穩(wěn)定性等物理化學性能的調(diào)控。
 
       盡管固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速,但是有關(guān)基本原理的探究和實際應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。因此,深入研究復合固態(tài)電解質(zhì)中鋰離子的傳導機理、各組分間的協(xié)同作用及界面性質(zhì)將對進一步提高復合固態(tài)電解質(zhì)的性能提供指導。
 
(責任編輯:子蕊)
文章標簽: 鋰電池 動力電池
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