鋰離子電池是當(dāng)今電池世界的霸主,隨著對能量密度越來越高的要求,采用金屬鋰負(fù)極成為大勢所趨,而金屬鋰負(fù)極進(jìn)一步增加了電池安全風(fēng)險。解決電池安全性能的重要任務(wù),就這樣落到了全固態(tài)鋰電池的肩上。

為了獲得與基于液體電解質(zhì)的鋰電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?固體電解質(zhì)需要具有高離子電導(dǎo)率、力學(xué)強(qiáng)度好、不可燃、化學(xué)穩(wěn)定性等特性。然而,用于液體電解質(zhì)的商業(yè)聚合物電解質(zhì)隔板厚度僅有10μm左右,如果采用如此薄的固體電解質(zhì)勢必會極大地增加電池短路的風(fēng)險。

有鑒于此,斯坦福大學(xué)崔屹課題組設(shè)計了一種全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物復(fù)合固體電解質(zhì),可以確保全固態(tài)鋰離子電池的安全性能。

要點1:設(shè)計理念

復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)必須由堅固、不易燃的主體制成,采用具有垂直排列的納米通道和鋰離子導(dǎo)電SPE填料。高模量主體防止枝晶滲透,而對齊的通道增強(qiáng)SPE填料的離子導(dǎo)電性。復(fù)合電解質(zhì)的超薄和聚合物-聚合物性能使得全電池具有極大的柔韌性,低電解質(zhì)電阻和潛在的高能量密度。研究團(tuán)隊采用高模量的納米多孔聚酰亞胺(PI)主體和PEO/鋰雙(三氟甲磺酰基)酰亞胺(LiTFSI)聚合物電解質(zhì)進(jìn)行概念驗證,這種PI/PEO/LiTFSI固體電解質(zhì)中,超薄多孔PI基質(zhì)厚度僅8.6μm。

要點2:優(yōu)異性能

雖然商業(yè)鋰離子電池的理論能量密度接近480Whkg-1,但是當(dāng)在計算中考慮金屬殼體,正負(fù)極集流器時,理論值減少一半。如果進(jìn)一步考慮隔板和液體電解質(zhì)時,能量密度理論值還要進(jìn)一步降低。然而,當(dāng)使用PI/PEO/LiTFSI電解質(zhì)(246Whkg-1)時,全固態(tài)電池的能量密度與液體電解質(zhì)電池的能量密度相當(dāng),并且遠(yuǎn)高于其他的電解質(zhì)電池。

全固態(tài)電池中超薄超輕的PI/PEO/LiTFSI(1.12mgcm-2)具有與隔膜/液體電解質(zhì)(1mgcm-2)相似的面積密度,確保其優(yōu)于其他固體電解質(zhì)系統(tǒng)。由于全固態(tài)LIB的電池外殼可能比液體電解質(zhì)LIB更簡單,所以固體聚合物-聚合物復(fù)合材料LIB的能量密度可能會更高。進(jìn)一步,通過高容量鋰化學(xué),例如硫和金屬鋰,可以實現(xiàn)更高的能量密度。

由于PI膜不易燃,力學(xué)強(qiáng)度高,即使經(jīng)過1000多小時的循環(huán),也可持續(xù)防止電池短路,保證安全性。垂直通道可提高注入的離子電導(dǎo)率(30°C時為2.3×10-4Scm-1),基于PI/PEO/LiTFSI固體電解質(zhì)制造的全固態(tài)鋰離子電池在60°C時具有良好的循環(huán)性能(C/2速率下200次循環(huán)),并可承受彎曲,切割和釘子穿透等測試。

小結(jié)

總之,這項研究設(shè)計了一種超薄、柔性、安全的聚合物復(fù)合固體電解質(zhì),為發(fā)展更安全、更高效的全固態(tài)鋰離子電池起到重要推動和良好的借鑒。