中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：目前廣泛使用的鋰離子電池采用可燃的液態(tài)電解質(zhì)，在充放電過(guò)程中可與鋰離子發(fā)生不可逆反應(yīng)，形成固體電解質(zhì)界面膜(Solid electrolyte interphase，SEI)。該過(guò)程不僅導(dǎo)致活性物質(zhì)和電解質(zhì)的損失，而且降低了庫(kù)倫效率。
另外，充放電過(guò)程中鋰枝晶的生長(zhǎng)容易刺破隔膜，造成安全隱患。為了提高鋰離子電池的能量密度和安全性，選用固態(tài)電解質(zhì)制備全固態(tài)鋰離子電池已成為研究熱點(diǎn)。
科學(xué)家們已經(jīng)研究了各種有機(jī)、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，但由于各自的不足，一直未得到廣泛應(yīng)用。陶瓷電解質(zhì)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和較高的離子遷移數(shù)，但較大的固-固界面阻礙了離子傳輸。
而且與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)相比，鋰金屬的形核和生長(zhǎng)更容易在陶瓷晶體晶界處發(fā)生。對(duì)常用的聚合物電解質(zhì)PEO來(lái)說(shuō)，只有在溫度高于熔點(diǎn)時(shí)(62℃)，才具有較好的離子傳導(dǎo)性。
在充電過(guò)程中，較低的離子傳導(dǎo)使得在鋰/聚合物界面形成雙電層，加速了鋰枝晶的形核和電解質(zhì)的分解。該工作將兩種電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，制備三明治結(jié)構(gòu)(polymer/ceramic/polymersandwich electrolyte， PCPSE)固態(tài)電解質(zhì)，并通過(guò)全固態(tài)鋰離子電池驗(yàn)證其有效性。
Figure 1. (a)Illustration of all-solid-state battery design with the PCPSEelectrolyte. (b)Structure of polymer CPMEA.
實(shí)驗(yàn)選用CPMEA(poly(ethylene glycol) methyl etheracrylate)作為聚合物層，Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)作為陶瓷層。Li/LiFePO4全固態(tài)電池測(cè)試結(jié)果表明，與純聚合物電解質(zhì)相比，該三明治結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)可提高鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
在0.51mAcm-2電流密度下，經(jīng)640次循環(huán)后容量仍保持102mAh/g。當(dāng)電流密度增至1mAcm-2，仍可保持105mAh/g的比容量。在0.2C~0.6C倍率范圍內(nèi)，電池庫(kù)倫效率幾乎保持99.9± 0.1%。優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性也證明該P(yáng)CPSE可有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。
Figure 2. Chargeand discharge voltage profiles of Li/LiFePO4 cells withCPMEA andCPMEA？LATP-based PCPSE at 0.2C (a) and 0.5C (b). (c) Cycling and C rateperformance of the Li/LiFePO4 cells withCPMEA and CPMEA？LATP-basedPCPSE.
綜上，該工作設(shè)計(jì)了一種有效的三明治結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)，并提出抑制鋰枝晶生長(zhǎng)的新思路，對(duì)固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)鋰離子電池、鋰金屬電池的研究具有指導(dǎo)意義。
