全固态锂及镁电池的电极/电解质界面设计研究

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传统锂离子电池的性能已接近其理论值。锂金属、镁金属等金属电极具有高比容量的优点,基于此类金属负极的电池有望成为高能量密度的电池体系,但金属枝晶的不可控生长及有机电解液的使用存在难以避免的安全隐患。因此,开发具有高能量密度且高安全性能的下一代固态/准固态金属电池是未来趋势之一。这类电池的重要挑战之一是如何解决金属负极与固态电解质之间的界面问题。其中,锂金属电池存在锂金属与固态电解质界面接触差、锂枝晶不可控生长等挑战。镁电池同样存在镁金属与固态电解质界面接触差的问题;此外,镁金属独特的反应活性也易产生较高的界面阻抗。因此,合理的金属负极与固态电解质之间的界面设计是制备高性能固态/准固态金属电池的关键所在。本研究论文首先聚焦于锂金属负极与固态电解质之间的界面研究。合成了一类新颖的PIN@SN“胶水”电解质。该电解质具有良好的离子电导率(室温下为1.5×10-4S/cm)、界面润湿性(对常见的电极材料及固态电解质都可以润湿)及优异的电化学稳定性(电化学窗口为4.6V),并具有良好的粘结性(剥离强度为70190 N/cm)等优点。利用“预聚合—后固化”的策略将此“胶水”修饰于界面之间,可以解决电极与无机电解质(LLZTO)界面接触问题。结果表明由此得到的全固态锂电池在室温下的界面阻抗显著降低(阻抗从5114Ω/cm2降低至104Ω/cm2),并且可以实现稳定的循环(在0.05 C倍率下循环50圈后具有95.2%的容量保持率)。此类“胶水”电解质具有轻质而高性能的优点,易于合成与设计,具有大规模应用的潜力。本研究论文也进行了准固态镁电池的电极/电解质界面的相关研究。为了解决镁金属负极与固态电解质的界面接触问题,我们利用微量电解液浸润界面,实现了准固态Mg/Mg对称电池在大倍率下的稳定循环。主要研究成果包括:(1)利用聚丙烯腈在镁金属表面制备一层人工固态电解质保护膜(SEI)。研究证明此SEI可以抑制微量电解液与镁金属的界面副反应的发生。(2)采用Mg(TFSI)2/SN电解液浸润镁电极与固态电解质界面。研究证明此镁电池的界面阻抗从4612Ω/cm2降低至227Ω/cm2。(3)组装准固态镁对称电池进行循环测试。在电流密度为0.1mA/cm2的条件下,其极化电压只有12mV,在循环1000h后仍保持稳定循环。此工作为固态/准固态镁电池的研究奠定了基础,也为其他多价离子固态电池的发展方向提供了思路。
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