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2024年 03期

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综述

石榴石基复合固态电解质的界面调控和离子传导机制

杨斌斌;邓成龙;陈楠;陈人杰;

Li_7La_3Zr_2O_(12)(LLZO)基复合固态电解质(CPE),因综合了聚合物的柔韧性和LLZO的高离子电导率被认为是高能量密度固态锂金属电池的有力候选。本文总结了LLZO基CPE在负极-电解质界面和正极-电解质界面的关键问题,并归纳了近年来解决电极-电解质界面离子传输问题的方法,最后结合最新表征方法和研究观点,深入分析了锂离子在LLZO基CPE中的离子传输路径。本文深入讨论了LLZO基CPE中的锂离子迁移路径和界面离子传输问题,为高能量密度固态锂金属电池的发展提供有益的参考。

2024 年 03 期 v.28;No.160 ; 国家自然科学基金项目(52272185);; 国家重点研发计划(2022YFB2502102);; 北京市杰出青年学者(BJJWZYJH01201910007023)
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PVDF基聚合物固态电解质的组成与改性研究

张政;贾弼超;贺艳兵;

固态锂电池因其具备高能量密度、安全性好等优点而备受关注。作为固态锂电池最关键的组成部分,固态电解质(SSE)在提高固态锂电池的电化学性能方面起到至关重要的作用。聚偏二氟乙烯(PVDF)基固态聚合物电解质(SPE)具有优异的柔韧性、力学性能以及良好的加工性能,在固态锂电池的发展中展现出巨大的应用潜力。然而,PVDF基SPE仍存在离子电导率低、结晶度高等问题。本文基于SPE的离子传输机制和目前存在的缺点,详细介绍了PVDF基SPE设计策略的最新进展,重点总结了在有机分子改性、填料的设计与改性和结构调控等方面的研究进展。此外,本文介绍了PVDF基SSE在固态锂电池体系中的应用。最后,对PVDF基SPE的未来前景进行了展望。

2024 年 03 期 v.28;No.160 ; 国家自然科学基金项目(U2001220和52203298)
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研究论文

实用化高比能准固态锂离子电池体系的研究

赵冬梅;李杨;于智航;刘兴江;

针对锂离子电池中电解液易泄漏、易燃烧,甚至引发爆炸等潜在安全问题,本文将单一的醚类小分子物质作为单体,与LiPF_6基电解液混合制备预聚前驱体,在60℃下原位衍生为非流动态的黏弹性凝聚体。通过调控单体比例、优化原位固化工艺,制备出高镍/高硅准固态锂离子电池。经测试,2.1 Ah电池体系在0.3 C电流下循环寿命达600圈,保持率比同期液态高1.8%。由更高硅含量的负极构成的36 Ah电池体系的比能量高达351 Wh/kg, 500圈循环容量保持率达88.36%,准固态锂离子电池具有优异的低温性能,-20℃下容量保持率达85.6%,结果表明固化电解质在电池层内部及层间起到了良好的结构稳定性作用。该高比能准固态锂离子电池体系的开发为后续固态电池的进一步实用化提供了切实可行的途径。

2024 年 03 期 v.28;No.160 ;
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氮化碳包覆LiNi_(0.9)Co_(0.05)Mn_(0.05)O_2正极用于高能量密度和长寿命锂电池

段振亮;邱祥云;郭向欣;

高容量的富镍层状氧化物是二次锂基电池系统中很有前途的正极材料。然而,其较差的离子导电性和电极/电解液界面处的副反应导致其倍率和循环性能不理想。本文利用离子导电率优异的二维材料g-C_3N_4对富镍材料LiNi_(0.9)Co_(0.05)Mn_(0.05)O_2实现均匀包覆,包覆层g-C_3N_4可有效抑制富镍材料寿命过程中的结构退化和晶间裂纹,并阻止活性材料与电解液的直接接触,从而稳定电极/电解液界面,防止副反应的发生。此外,g-C_3N_4的包覆增强了表观锂离子扩散系数方面的锂脱/嵌动力学,所合成的包覆材料在3~4.5 V、1 C下循环200次后的容量高达175.2 mAh/g,而在5 C下仍能获得154.3 mAh/g的可逆容量,大大优于未包覆材料性能表现。本研究为构建具有优异综合性能的高镍三元金属氧化物正极超薄界面层提供了新思路。

2024 年 03 期 v.28;No.160 ; 国家重点研发计划项目(2023YFB2503900);; 国家自然科学基金项目(52372203)
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PMMA基凝胶聚合物电解质在石墨/LiNi_(0.8)Mn_(0.1)Co_(0.1)O_2电池中的研究

程鹏飞;范超君;刘倩彤;范伟贞;史利涛;

凝胶聚合物电解质(GPE)是当前最具商业化应用前景之一的准固态电解质,可以缓解甚至解决锂离子电池存在的漏液、挥发、燃烧等潜在安全问题。本文通过高温原位固化技术制备了一种以甲基丙烯酸甲酯为单体、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂、双(氟磺酰)亚胺锂为导电盐、碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯混合溶剂为增塑剂的GPE。通过热重分析对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基GPE的热力学性质进行了表征,采用计时安培法和电子扫描显微镜研究了PMMA基GPE对Al集流体的稳定性。研究结果表明,PMMA基GPE在室温拥有较高的电导率,达到6.61 mS/cm,同时可以将碳酸酯电解液的挥发温度由100.3℃提高至138.1℃。PMMA基GPE在高电位下对Al箔显示出良好的稳定性,4.3 V vs.Li/Li~+以下不会发生铝箔腐蚀,而且在商用石墨/LiNi_(0.8)Mn_(0.1)Co_(0.1)O_2软包电池中展现出良好的循环稳定性和容量保持能力,循环1 000次后容量保持率为93.4%。

2024 年 03 期 v.28;No.160 ;
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基于固态电解质膜的软包电池制备与初步表征

吴勇民;马尚德;田文生;吴晓萌;朱蕾;白羽;孟玉凤;顾梅嵘;张伟;温珍海;靳俊;杨丞;

固态电池安全性高、可适应高比能正负极,是蓄电池发展的方向,但存在固相界面阻抗大、界面结构稳定性差等问题。为了快速评估固态电池技术在实用型蓄电池中的作用,本文采用流延法制备了在50℃下离子电导率为6.16×10~(-4) S/cm的固态电解质膜。以高镍三元为正极、石墨为负极,制备了质量为1.121 4 g、容量为53.44 mAh的微型软包电池和容量为7 252.8 mAh的大容量软包电池。微型软包电池实现了5 C高倍率的放电和150次循环,大容量软包电池在放电深度(DOD)为13.78%时,实现了439次循环充放电。以上结果说明固态电解质膜满足在锂离子电池中使用的要求,然而这些电池的界面构筑仍有不足之处。基于本文结果,通过对固态电解质膜材料、电池化成制度等进行改进,有望促进高性能电池的研发。

2024 年 03 期 v.28;No.160 ; 国家重点研发计划(2022YFB3807700);; 山东省自然科学基金重大基础研究项目(ZR2021ZD24)
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“固态电池”专栏——主编寄语

<正>经过30余年的发展,锂离子电池已被广泛应用于电子、电动汽车以及储能系统中。然而,商用锂离子电池使用液态电解质,存在安全性、温度适应性及性能衰退等问题。固态电池使用固体电解质材料,具有颠覆现有锂离子电池技术的潜力。基于此,在《电池工业》这一期的专刊中,我们聚焦于固态电池——这一充满潜力的新能源技术。固态电池以其更高的安全性、更高的能量密度和更长的使用寿命,代表着未来电池技术的发展方向。固态电池的概念最早可追溯至上世纪70年代,但直到21世纪初,随着材料科学的进步,这一技术才逐渐成熟。从最初的锂离子电池到今天的固态电池,体现了电池技术的巨大飞跃。固态电池通过使用固态电解质代替传统的液态电解质,从根本上解决了液态电解质的易燃性和泄漏问题,大大提高了电池的安全性。

2024 年 03 期 v.28;No.160 ;
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