中國儲能網(wǎng)訊：隨著電動汽車和移動電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，對提供動力能源的鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求?；诓迦胧皆淼匿囯x子電池的能量密度已接近其上限能量密度，提升空間很小。相比較而言，以鋰為負(fù)極的鋰金屬電池在提升能量密度方面有著無可比擬的優(yōu)勢。
然而，基于傳統(tǒng)液態(tài)電解液的鋰金屬電池存在SEI反復(fù)破裂和生成、鋰負(fù)極體積膨脹、鋰枝晶生長、死晶等導(dǎo)致的庫侖效率低、電池阻抗增加和安全性問題等諸多挑戰(zhàn)，所有這些限制了高性能鋰金屬電池的快速發(fā)展。
近日，依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院(以下簡稱“青島儲能院”)為解決鋰金屬電池存在的上述關(guān)鍵瓶頸問題，以聚合物電解質(zhì)作為核心突破點(diǎn)，從三個方面系統(tǒng)探索解決方案：(一)大陰離子鋰鹽對鋰負(fù)極的保護(hù)；(二)構(gòu)建人工有機(jī)/無機(jī)復(fù)合界面膜(SEI)；(三)兼顧耐高電壓和鋰負(fù)極保護(hù)的多功能聚合物電解質(zhì)的開發(fā)，系列創(chuàng)新性研究工作對于促進(jìn)高性能鋰金屬電池的發(fā)展起到了重大的推動和引領(lǐng)作用。
為從鋰鹽角度解決鋰枝晶問題，青島儲能院的研究人員設(shè)計(jì)并合成了一種新型具有大陰離子結(jié)構(gòu)的全氟叔丁氧基三氟硼酸鋰(LiTFPFB)，該新型鋰鹽保留了LiBF4陰離子的主體結(jié)構(gòu)，一方面可以提高其對鋁集流體的穩(wěn)定性；另一方面大陰離子的存在可以原位形成鋰負(fù)極保護(hù)膜進(jìn)而提升鋰金屬電池的電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)：該鋰鹽的離子電導(dǎo)率明顯高于LiBF4，且對鋁集流體有較好的穩(wěn)定性，可以在鋰金屬負(fù)極形成一層保護(hù)膜來有效抑制鋰金屬與電解液的進(jìn)一步反應(yīng)，進(jìn)而有效保護(hù)鋰負(fù)極。相關(guān)成果作為Backcover文章發(fā)表在國際雜志Chem.Sci.上(Chem.Sci.,2018,9,3451-3458)。
鑒于金屬鋰作為負(fù)極使用時存在著SEI不穩(wěn)定、副反應(yīng)嚴(yán)重進(jìn)而導(dǎo)致庫倫效率低、循環(huán)壽命短等不利因素，研究人員從聚合物界面修飾角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出人工SEI膜來有效保護(hù)金屬鋰負(fù)極(圖1a)，該SEI膜由聚氰基丙烯酸酯和分散其中的氧化鋰衍生物組成(Chem.Mater.,2017,29,4682-4689)。研究發(fā)現(xiàn)：該有機(jī)/無機(jī)層的協(xié)同作用使得界面處在快速傳導(dǎo)鋰離子的同時，又能保證SEI不易脫落，同時也顯著抑制了發(fā)生在界面區(qū)域的副反應(yīng)(Chem.Mater.,2016,28,3578-3606)，從而賦予金屬鋰電池優(yōu)異的界面穩(wěn)定性和長循環(huán)穩(wěn)定性(Chem.Mater.,2018,30,4039-4047)。
為解決高電壓(4.45V)鈷酸鋰/鋰金屬電池存在的正極固態(tài)電解質(zhì)界面(CEI)不穩(wěn)定，在高電位下界面處容易發(fā)生電化學(xué)氧化副反應(yīng)，以及大電流大容量時鋰負(fù)極存在的鋰枝晶等問題，青島儲能院在“剛?cè)岵?jì)”聚合物電解質(zhì)設(shè)計(jì)理念的指引下(Small,2018.DOI:10.1002/smll.201800821;Adv.Sci.,2018,5,700503)，以細(xì)菌纖維素作為剛性骨架支撐材料，制備出聚乙烯基甲醚-馬來酸酐多功能聚合物電解質(zhì)(Energ.Environ.Sci.,2018,11:1197-1203)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該聚合物電解質(zhì)可以兼具穩(wěn)定正極界面和保護(hù)鋰負(fù)極的多功能作用，進(jìn)而協(xié)同提升了4.45V鈷酸鋰/鋰金屬電池的長循環(huán)穩(wěn)定性。與此同時，該文詳細(xì)闡明了聚乙烯基甲醚-馬來酸酐聚合物電解質(zhì)的多功能作用機(jī)制(圖1b)。由于在高電壓鈷酸鋰/鋰金屬電池方面的系列工作，研究人員應(yīng)邀為Chem.Soc.Rev撰寫題為Reviving lithium cobalt oxide-based lithium secondary batteries-toward higherenergy density的綜述(Chem.Soc.Rev.,2018,DOI:10.1039/C8CS00322J)，詳細(xì)論述了高能量密度鈷酸鋰電池的相關(guān)研究進(jìn)展、面臨挑戰(zhàn)以及未來機(jī)遇和發(fā)展方向。
圖1(a)人工構(gòu)建有機(jī)/無機(jī)復(fù)合電解質(zhì)膜(SEI)修飾的高性能鋰金屬負(fù)極；(b)聚乙烯基甲醚-馬來酸酐多功能聚合物電解質(zhì)
相關(guān)系列研究獲得了國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院納米先導(dǎo)專項(xiàng)、山東省自然科學(xué)基金、青島市儲能行業(yè)科學(xué)研究智庫聯(lián)合基金和青島能源所“一三五”項(xiàng)目等的大力資助。
文章來源：青島生物能源與過程研究所
