港城大支春义团队: 复合电解质混合界面推进固态锂金属电池实际应用

学术   2024-12-22 10:40   北京  

研究背景

可持续经济的快速发展提高了储能电池对能量密度和安全性的要求,以满足在电动交通工具和智能电网中的应用需求。固态锂金属电池具有高能量密度和高安全性,被视为理想的下一代储能电池。
最近,具有「盐-聚合物微量残余溶剂」配置的基于聚偏二氟乙烯 (VDF) 的聚合物电解质 (SPEs) 因其高室温离子导电性 (10⁻⁴ S cm⁻¹) 而特别引人注目。然而,这种结构面临两个显著问题:锂盐解离度低和严重的电极/电解质界面副反应。因此,提高 VDF 基 SPE 中锂盐的解离度和调节微观溶剂化结构对于确保快速 Li⁺ 传输和为实际应用创造稳定的界面反应环境至关重要。
传统的策略,如在 PVDF-SPE 中添加无机或有机填料通过填料界面的相互作用增强盐解离和调节电极/电解质界面稳定性。然而,固体填料的团聚显著影响其效率。相比之下,凝胶电解质和固体聚合物电解质之间的混合界面可能展现出均匀的结构和调节的 Li⁺ 结合能,这一特性可能能够更有效地增强锂盐的解离。

文章简介

基于此,香港城市大学支春义教授团队设计了一种氟化的混合电解质(记为 HFGP-SE),由氟化凝胶固态电解质 (FG-SE) 和基于聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物 (PVHF) 的固态聚合物电解质 (PVHF-SPE) 组成。

  • 图 1. 设计的混合氟化凝胶和聚合物复合固体电解质 (HFGP-SE) 的结构和界面处局部高浓溶剂化结构 (LHC) 和快速离子传导机制的示意图。

研究发现,在 HFGP-SE 中,FG-SE 和 PVHF-SPE 之间的界面形成了具有高锂盐解离度和局部高浓度 (LHC) 溶剂化结构的快速离子传输通道。因此,所开发的 HFGP-SE 具有以下优势:


1



提升的离子电导率和锂离子迁移数

在 HFGP-SE 中构建了丰富的 FG-SE/PVHF-SPE 界面,这些界面具有高锂盐解离能力,从而显著提高了离子电导率 (0.84 mS cm⁻¹) 和锂离子迁移数 (tLi⁺ = 0.87)。


2



形成了局部高浓度溶剂化结构

在 FG-SE/PVHF-SPE 界面处形成了具有弱相互作用特征的局部高浓度 (LHC) 溶剂化结构。这种溶剂化结构促进了由阴离子衍生的富无机的固态电解质界面 (SEI) 层的形成,从而实现了稳定的锂沉积/剥离,Li||Li 对称电池在电流密度 0.5 mA cm⁻² 的条件下可稳定沉积/剥离超过 1200 小时。

3



实现全电池的稳定循环

采用 HFGP-SE 组装的 Li||LFP 全电池表现出稳定的循环性能,稳定循环超 2200 次。更重要的是,所组装的 4.5 V 级 Li (50 μm) ||NCM811(高面容量 >2 mAh cm⁻²)的全电池在近实用 N/P 比 (N/P = 4:1) 条件下也能稳定循环。





该成果以 “Salt Dissociation and Localized High-concentration Solvation by Interface of Fluorinated Gel and Polymer Solid Electrolyte”(《氟化凝胶与聚合物固体电解质界面的盐解离和局部高浓度溶剂化》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Energy & Environmental Science 上

论文信息

  • Salt Dissociation and Localized High-concentration Solvation by Interface of Fluorinated Gel and Polymer Solid Electrolyte

    Dechao Zhang, Yuxuan Liu, Dedi Li, Shimei Li1, Qi Xiong, Zhaodong Huang, Shixun Wang, Hu Hong, Jiaxiong Zhu, Haiming Lv*, Chunyi Zhi*

    Energy Environ. Sci., 2024, Advance Article
    https://doi.org/
    10.1039/D4EE04078C

期刊介绍

A journal linking all aspects of the chemical, physical and biotechnological sciences relating to energy conversion and storage, alternative fuel technologies and environmental science

rsc.li/ees

Energy Environ. Sci.

2-年影响因子*32.4
5-年影响因子*34.5
JCR 分区*Q1 化学-多学科
Q1 能源&燃料  
Q1 工程-化工
Q1 环境科学
CiteScore 分50.5
中位一审周期36 


Energy & Environmental Science 致力于发表非常重要、非常高质量的权威性研究工作,以应对能源供应和环境保护方面的全球性重大挑战。鉴于能源转换和存储、替代燃料技术和环境科学相关问题与挑战的复杂性,本刊的发文范围广泛,但都必须与能源环境问题有所关联,并且应能引起广大读者的广泛关注。所发表论文的主题既包括具有重大影响的基础研究,也涵盖了横跨(生物)化学、(生物/地球)物理科学和化学工程学的跨学科研究和分析工作。

Chair
  • Jenny Nelson
    🇬🇧 伦敦帝国理工学院

Editorial board members
  • Xinhe Bao (包信和)
    🇨🇳 中科院大连化物所

  • Christoph Brabec
    🇩🇪 埃尔兰根-纽伦堡大学

  • William Chueh
    🇺🇸 斯坦福大学

  • Kazunari Domen
    🇯🇵 东京大学

  • Linda Nazar
    🇨🇦 滑铁卢大学

  • Jan Rossmeisl
    🇩🇰 哥本哈根大学

  • Jennifer Wilcox
    🇺🇸 宾夕法尼亚大学

  • Karen Wilson
    🇦🇺 格里菲斯大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)

CiteScore 2023 by Elsevier

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