崔屹團隊:聚合物固態電解質不安全?防火、超輕聚合物固態電解質來了

2020-12-04 中化新網

   基於液態電解質的鋰離子電池由於有機溶劑電解質自身存在安全性隱患，促使了人們加快對固態電解質、離子液體、聚合物及其組合進行研究。開發與液體電解質電池相當的能量密度、高離子導電性、超薄、輕質固體電解質成為研究的目標。

   電化學鍍鋰、剝離過程中容易形成的鋰枝晶容易刺穿隔膜，導致電池短路，最終引發火 災和悲劇。為了解決上述安全問題，固態電解質（SSE）作為目前鋰離子電池中易燃液體電解質的替代品引起了人們的極大關注。當固態電解質厚度降低，比如做到和聚合物固態隔膜類似的厚度（10μm），那麼電池的短路風險大幅度增加。

   固態電解質（SSE）分為三類：無機（陶瓷/玻璃）的固體電解質；固體聚合物電解質；兩者的複合

   無機SSE存在的問題：脆、相對較厚（＞200μm）、不具有柔性；另外無機的SSE電導率太好了，容易使得Li直接沉積在電解質裡導致短路。

   聚合物固態電解質（SPE）的優缺點：高靈活性，重量輕，低成本和易擴展性；然而常用的PEO易燃

  基於以上考慮，2019年5月27日，崔屹團隊開發出具有垂直納米孔的超薄、柔性、聚合物固態電解質。相關論文以「Ultrathin, flexible, solid polymer composite electrolyte enabled with aligned nanoporous host for lithium batteries」為題目，發表在《Nature Nanotechnology》上。

本文亮點：

   •聚合物-聚合物固態電解質的設計：用一種8.6μm厚的納米多孔聚醯亞胺（PI）薄膜填充固態聚合物電解質的聚環氧乙烷/二（三氟甲基磺醯）亞胺鋰（PEO/LITFSI）；

   •聚醯亞胺薄膜：超薄，超輕、高模量、不可燃、機械強度高。高模量的屬性可以抑制鋰晶枝的生成，即使經過1000 h以上的循環，也能防止電池短路；

   •本文：比利時it4ip公司採用徑跡蝕刻技術加工技術得到的多孔KaptonPI 膜，其中的垂直通道可提高注入聚合物電解質的離子電導率（30 ℃時為2.3×10-4s cm-1）。所有採用PI/PEO/LITFSI固體電解質製造的固態鋰離子電池在60°C下具有良好的循環性能（200個循環，C/2速率），並能承受彎曲、切割和釘子穿透等濫用測試。能量密度與液體電解質電池相當，達到246Wh·kg-1；

   不滿足於此，2020年2月5日，崔屹團隊首次報導防火、超輕聚合物-聚合物固態電解質（SSE）。相關論文以「A Fireproof, Lightweight, Polymer–Polymer Solid-State Electrolyte for Safe Lithium Batteries」為題，發表在《Nano Lett.》上。

   該聚合物固態電解質以多孔聚醯亞胺作為機械增強框架材料，添加阻燃劑（十溴二苯乙烷，DBDPE）和離子導電聚合物電解質（聚環氧乙烷/雙三氟甲烷磺醯基鋰）。聚合物固態電解質由有機材料製成，具有可調節的膜厚度（10–25μm），與傳統的隔膜/液體電解質相比，具有更高的能量密度。PI / DBDPE膜具有熱穩定性、不可燃性和高機械強度，能夠保證Li-Li對稱電池穩定循環300小時不發生短路。製成的LiFePO4/ Li半電池在60°C 下表現出高速率性能（在1 C下為131 mAh g–1）和循環性能（在C/2速率下，300個循環）。值得一提的是，即使在火焰下測試，該聚合物固態電解質製成的軟包電池仍能正常工作。

燃燒30s後，仍然能夠正常工作（注意右上的小燈泡，一直處於點亮狀態）。

全文連結：

https://www.nature.xilesou.top/articles/s41565-019-0465-3

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04815


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