石榴石氧化物化學修飾增強聚偏氟乙烯基固態電解質

谷林

中國科學院物理研究所，北京 100190

(a)柔性復合電解質膜實物圖；(b)電解質膜化學結構變化的拉曼表征；(c)電解質膜中形成的絡合結構； (d-g)紅外、核磁及第一性原理計算對制備過程中Li7La3Zr2O12與溶劑分子絡合行為的探究； 復合電解質膜的(h)電導率性能，(i)應力應變曲線，(j)熱失重曲線；(k)含復合電解膜的電池室溫下的循環-效率圖

隨著電動汽車和新能源發電等應用的快速發展，開發先進的儲能技術已經成為迫切需求。在眾多儲能技術中，鋰離子電池被認為是最具潛力的儲能技術之一1。目前市場上普遍使用的鋰離子電池，其電解質采用液態有機電解液材料，可能產生泄露、易燃易爆等問題，使鋰離子電池在使用過程中產生安全隱患。近年來，隨著電動汽車的規模迅速擴大，電池安全更是得到了空前的重視。針對安全問題，發展可以取代傳統電池里隔膜和電解液的固態電解質，已經成為最為有效的解決途徑之一。固體電解質分為無機固態電解質和聚合物電解質兩大類。前者離子電導率高，但電極/電解質界面處浸潤性很差；后者聚合物基體在低溫下結晶度高導致離子電導率低，但聚合物黏彈性好，界面可適性強2,3。目前，無機電解質填料增強的聚合物基復合固態電解質有效的結合了兩者的優勢4，但仍不能滿足固態鋰離子電池商業化發展的要求。因此，開發常溫下具有高離子電導率、低界面阻抗、化學穩定且易制備的固體電解質材料成為固態鋰電池領域一個重要的發展方向。

近日，清華大學材料學院南策文院士課題組研究制備了一種石榴石型氧化物(LLZO)修飾增強的聚偏氟乙烯(PVDF)基固態復合電解質。其中 LLZO顆粒絡合極性溶劑分子引發 PVDF鏈斷改性，從而促進電解質性能提升。其室溫離子電導率高達 5 × 10-4S·cm-1。該電解質膜通過簡單的流延工藝制備，成膜后柔性可自支撐，相比于凝膠電解質具有更強的機械性能，相比于無機氧化物陶瓷，對電極材料具有更好的界面兼容性。同時，該電解質膜具有良好的熱學穩定性。采用該固態電解質膜制備的固態鋰離子電池在室溫下展現了良好的循環性能及倍率性能。

該研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上在線發表5。該工作中報道的固態電解質膜，制備工藝簡單且綜合性能優異，有望用于固態鋰電池電解質膜商業化、規模化的生產，促進固態鋰電池領域的發展。

(1) Wiers, B. M.; Foo, M. L.; Balsara, N. P.; Long, J. R. J. Am. Chem. Soc.2011, 133, 14522. doi:10.1021/ja205827z

(2) Croce, F.; Appetecchi, G. B.; Persi, L.; Scrosati, B. Nature 1998, 394, 456. doi: 10.1038/28818

(3) Liu, T.; Ren, Y.; Shen, Y.; Zhao, S. X.; Lin, Y.; Nan, C. W. J. Power Sources 2016, 324,349. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.05.111

(4) Zhang, J.; Zhao, N.; Zhang, M.; Li, Y.; Chu, P. K.; Guo, X.; Di, Z.; Wang, X.; Li, H. Nano Energy 2016, 28, 447. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.09.002

(5) Zhang, X.; Liu, T.; Zhang, S.F.; Huang, X.; Xu, B.Q.; Lin, Y.; Xu, B.; Li, L.; Nan, C. W.; Shen, Y. J. Am. Chem. Soc. 2017, doi: 10.1021/jacs.7b06364