PEO-LLZTO型固态电解质及固态锂电池的制备和研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:yjyu2012
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PEO具有高灵活性和易于制造等优点,加入一定量的锂盐,如Li TFSI、Li BOB或Li Cl O4,可以提高电解质的离子电导率。LLZTO无机固态电解质具有较高的离子电导率和剪切模量,可以抑制锂枝晶的生长。Li BOB是一种配位螯合物,可以形成具有大分子量的且稳定的大π共轭体系。这种结构会削弱Li BOB中阴离子和阳离子之间的相互作用,可以降低PEO的结晶度。结合这些条件,本论文开展了PEO-LLZTO型复合固态电解质的相关研究:(1)在我们的一个研究工作中,我们采用简单的溶液浇注法合成了由PEO基体、锂盐和LLZTO组成的柔性CPE膜,比较了两种锂盐Li PF6和Li BOB对固态电解质的性能的影响。分别基于PEO/LLZTO/Li BOB(PLLB)和PEO/LLZTO/Li PF6(PLLB)固体电解质制造了用于室温的固态锂电池。结果表明,Li Fe PO4|PLLB|Li固态锂电池具有更高的比容量和优异的循环稳定性。对于离子电导率,在20℃时,当LLZTO含量为40wt.%时,离子电导率最大,PLLB电解质的离子电导率高达2.4×10-5S cm-1并且具有5.2V的宽电化学窗口。在0.1C、0.2C、0.5C和1.0C的倍率下,LFP|PLLB|Li锂电池在室温下的放电比容量分别为165.9、150.1、137.9和107.2m Ah g-1。在0.1C下,100个充放电循环后,电池的容量保持率为84.6%。作为说明,理论计算和实验分析都表明PEO/LLZTO/Li BOB电解质膜作为LFP|Li固态锂离子电池电解质时具有优良的电化学性能,能够提供高的初始放电容量,并且在室温下表现出良好的循环稳定性,表明其具有良好的应用前景。(2)我们第二个工作设计了一种新型的具有刚性和柔性的非对称双层固态电解质结构。这种电解质具有以下特点:(a)薄且密集的底层是一个具有高弹性模量的刚性屏障,可以有效地分离电极和电解质,防止锂枝晶穿透;(b)上层的柔性的高分子层支撑着较薄的致密层;(c)致密层与聚合物层界面一体性良好,机械完整性好,离子输运连续。受益于LLZTO层对锂枝晶穿透的阻碍以及锂/聚合物界面的轻微张力以抑制枝晶成核,这种优异的非对称固态电解质提供了平坦的沉积/剥离电压分布以及稳定的无枝晶锂循环(超过2000小时),从而显著改善了锂电池的循环寿命和安全性。此外,利用ASE的固态Li Fe PO4|ASE|Li电池在0.2C下可提供155.1m Ah g-1的高初始放电容量,在至少200个周期内具有90.2%的高容量保持率,且未发生短路和超过99.6%的超高库仑效率,这是由于独特的不对称双层结构赋予了优异的锂/电解质界面,并降低了内部和界面的电阻。另外,配合4.3V级Li Co O2/Li电池,固态锂电池具有130 m Ah g-1以上的比容量和良好的循环性能。这项工作将为锂金属电池构建具有刚性和柔性的固体电解质提供一种巧妙的解决方案。
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