聚合物基固態電池循環和應用溫度範圍大幅提升

2020-09-23 中國日報網

近年來，鋰電池作為儲能器件在手機、筆記本電腦及電動汽車等領域的應用十分廣泛。然而，傳統的鋰離子電池越來越接近其能量密度的極限，使用易燃有機電解液也使其安全性受到嚴峻的考驗。因而，亟需開發下一代兼具高能量密度和高安全性的電化學儲能器件。固態電池是採用固態電解質代替液態電解質的新型電化學儲能器件，其具有安全性能高和能量密度高的特點。目前，研究者們已經開發了聚合物固態電解質、無機固態電解質及複合型固態電解質等多種研究體系。其中，聚環氧乙烷（PEO）因其輕質、易成膜以及與電極間良好的界面接觸等特點，被廣泛應用於固態電解質的研究。

近期，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部新型電化學材料與器件團隊在聚環氧乙烷基高性能電解質和固態電池方向取得進展，提高全固態聚合物鋰電池循環使用次數和穩定性，並實現在室溫和低溫下（0°C）的優異電化學性能。

研究人員針對聚環氧乙烷基固態電解質中鋰離子電導率和遷移數較低的問題，利用多硫化鋰的穿梭效應，通過原位電化學還原聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯（PEGMA）與硫的共聚物，製備了-S4Li接枝的聚環氧乙烷固態電解質，從而實現快速的鋰離子傳輸，並有效改善界面穩定性，使得全固態聚合物鋰電池在50°C下，表現出高達1200圈的超高循環穩定性。

針對聚環氧乙烷基固態電池需要在較高溫度（50-70°C）下使用，而在室溫及低溫下難以工作的問題，研究人員從鋰離子傳輸的微觀尺度出發，以有機小分子丁二腈（SN）替代常規的無機填料，通過調控丁二腈和環氧乙烷（EO）的摩爾比，在有效抑制聚環氧乙烷結晶並弱化環氧乙烷與鋰離子結合力的基礎上，實現了離子傳輸尺度上均質且快速的離子通路的形成。當丁二腈和環氧乙烷的摩爾比調控為1:4時，固態電解質的離子電導率提升了2個數量級，固態電池在室溫和低溫下（0°C）下也表現出優異的電化學性能。

上述工作近期發表在《納米能源》（Nano Energy 2020,75,10497）和《先進功能材料》（Advanced Functional Materials，2020, 30, 2007172）。工作獲得了國家自然科學基金、中科院青促會項目、中科院先導項目和國家重點研發計劃等的資助。

（中國日報遼寧記者站）

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