崔屹团队:聚合物固态电解质不安全?防火、超轻聚合物固态电解质来了

   基于液态电解质的锂离子电池由于有机溶剂电解质自身存在安全性隐患,促使了人们加快对固态电解质、离子液体、聚合物及其组合进行研究。开发与液体电解质电池相当的能量密度、高离子导电性、超薄、轻质固体电解质成为研究的目标。

   电化学镀锂、剥离过程中容易形成的锂枝晶容易刺穿隔膜,导致电池短路,最终引发火 灾和悲剧。为了解决上述安全问题,固态电解质(SSE)作为目前锂离子电池中易燃液体电解质的替代品引起了人们的极大关注。当固态电解质厚度降低,比如做到和聚合物固态隔膜类似的厚度(10μm),那么电池的短路风险大幅度增加。

   固态电解质(SSE)分为三类:无机(陶瓷/玻璃)的固体电解质;固体聚合物电解质;两者的复合

   无机SSE存在的问题:脆、相对较厚(>200μm)、不具有柔性;另外无机的SSE电导率太好了,容易使得Li直接沉积在电解质里导致短路。

   聚合物固态电解质(SPE)的优缺点:高灵活性,重量轻,低成本和易扩展性;然而常用的PEO易燃

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  基于以上考虑,2019年5月27日,崔屹团队开发出具有垂直纳米孔的超薄、柔性、聚合物固态电解质。相关论文以“Ultrathin, flexible, solid polymer composite electrolyte enabled with aligned nanoporous host for lithium batteries”为题目,发表在《Nature Nanotechnology》上。

本文亮点:

   •聚合物-聚合物固态电解质的设计:用一种8.6μm厚的纳米多孔聚酰亚胺(PI)薄膜填充固态聚合物电解质的聚环氧乙烷/二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(PEO/LITFSI);

   •聚酰亚胺薄膜:超薄,超轻、高模量、不可燃、机械强度高。高模量的属性可以抑制锂晶枝的生成,即使经过1000 h以上的循环,也能防止电池短路;

   •本文:比利时it4ip公司采用径迹蚀刻技术加工技术得到的多孔KaptonPI 膜,其中的垂直通道可提高注入聚合物电解质的离子电导率(30 ℃时为2.3×10-4s cm-1)。所有采用PI/PEO/LITFSI固体电解质制造的固态锂离子电池在60°C下具有良好的循环性能(200个循环,C/2速率),并能承受弯曲、切割和钉子穿透等滥用测试。能量密度与液体电解质电池相当,达到246Wh·kg-1;

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   不满足于此,2020年2月5日,崔屹团队首次报道防火、超轻聚合物-聚合物固态电解质(SSE)。相关论文以“A Fireproof, Lightweight, Polymer–Polymer Solid-State Electrolyte for Safe Lithium Batteries”为题,发表在《Nano Lett.》上。

   该聚合物固态电解质以多孔聚酰亚胺作为机械增强框架材料,添加阻燃剂(十溴二苯乙烷,DBDPE)和离子导电聚合物电解质(聚环氧乙烷/双三氟甲烷磺酰基锂)。聚合物固态电解质由有机材料制成,具有可调节的膜厚度(10–25μm),与传统的隔膜/液体电解质相比,具有更高的能量密度。PI / DBDPE膜具有热稳定性、不可燃性和高机械强度,能够保证Li-Li对称电池稳定循环300小时不发生短路。制成的LiFePO4/ Li半电池在60°C 下表现出高速率性能(在1 C下为131 mAh g–1)和循环性能(在C/2速率下,300个循环)。值得一提的是,即使在火焰下测试,该聚合物固态电解质制成的软包电池仍能正常工作。

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燃烧30s后,仍然能够正常工作(注意右上的小灯泡,一直处于点亮状态)。

全文链接:

https://www.nature.xilesou.top/articles/s41565-019-0465-3

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04815


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