青岛在高性能锂金属电池电解质领域取得重大成果

2018-07-12 17:46:56 来源: 科技日报 作者: 王建高

科技日报青岛7月12日电(记者王建高 通讯员崔光磊  刘佳)7月12日,依托中国科学院青岛生物能源与过程研究所建设的青岛储能产业技术研究院(以下简称“青岛储能院”) 在高性能锂金属电池电解质领域取得重大成果,以聚合物电解质作为核心突破点,从大阴离子锂盐对锂负极的保护;构建人工有机/无机复合界面膜(SEI);兼顾耐高电压和锂负极保护的多功能聚合物电解质的开发,系列创新性研究工作对于促进高性能锂金属电池的发展起到了重大的推动和引领作用三个方面系统探索解决锂金属电池存在的关键瓶颈问题的方案。

随着电动汽车和移动电子设备的蓬勃发展,对提供动力能源的锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。基于插入式原理的锂离子电池的能量密度已接近其上限能量密度,提升空间很小。相比较而言,以锂为负极的锂金属电池在提升能量密度方面有着无可比拟的优势。然而,基于传统液态电解液的锂金属电池存在SEI反复破裂和生成、锂负极体积膨胀、锂枝晶生长、死晶等导致的库仑效率低、电池阻抗增加和安全性问题等诸多挑战,所有这些限制了高性能锂金属电池的快速发展。

为从锂盐角度解决锂枝晶问题,青岛储能院研究人员设计并合成了一种新型具有大阴离子结构的全氟叔丁氧基三氟硼酸锂(LiTFPFB),该新型锂盐保留了LiBF4阴离子的主体结构,一方面可以提高其对铝集流体的稳定性;另一方面大阴离子的存在可以原位形成锂负极保护膜进而提升锂金属电池的电化学性能。研究发现:该锂盐的离子电导率明显高于LiBF4,且对铝集流体有较好的稳定性,可以在锂金属负极形成一层保护膜来有效抑制锂金属与电解液的进一步反应,进而有效保护锂负极。相关成果作为Back cover文章发表在Chem. Sci. 国际专业杂志上。

鉴于金属锂作为负极使用时存在着SEI不稳定、副反应严重进而导致库伦效率低、循环寿命短等不利因素,青岛储能院研究人员从聚合物界面修饰角度出发,设计出人工SEI膜来有效保护金属锂负极,该SEI膜由聚氰基丙烯酸酯和分散其中的氧化锂衍生物组成。研究发现:该有机/无机层的协同作用使得界面处在快速传导锂离子的同时,又能保证SEI不易脱落,显著抑制了发生在界面区域的副反应,从而赋予金属锂电池优异的界面稳定性和长循环稳定性。

为解决高电压(4.45 V)钴酸锂/锂金属电池存在的正极固态电解质界面(CEI)不稳定,在高电位下界面处容易发生电化学氧化副反应,以及大电流大容量时锂负极存在的锂枝晶等问题,青岛储能院在“刚柔并济”聚合物电解质设计理念的指引下,以细菌纤维素作为刚性骨架支撑材料,制备出聚乙烯基甲醚-马来酸酐多功能聚合物电解质。实验结果表明:该聚合物电解质可以兼具稳定正极界面和保护锂负极的多功能作用,进而协同提升了4.45 V钴酸锂/锂金属电池的长循环稳定性。阐明了聚乙烯基甲醚-马来酸酐聚合物电解质的多功能作用机制。

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责任编辑:左瑾
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