石榴石氧化物化學(xué)修飾增強(qiáng)聚偏氟乙烯基固態(tài)電解質(zhì)

谷林

中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190

(a)柔性復(fù)合電解質(zhì)膜實(shí)物圖；(b)電解質(zhì)膜化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的拉曼表征；(c)電解質(zhì)膜中形成的絡(luò)合結(jié)構(gòu)； (d-g)紅外、核磁及第一性原理計(jì)算對制備過程中Li7La3Zr2O12與溶劑分子絡(luò)合行為的探究； 復(fù)合電解質(zhì)膜的(h)電導(dǎo)率性能，(i)應(yīng)力應(yīng)變曲線，(j)熱失重曲線；(k)含復(fù)合電解膜的電池室溫下的循環(huán)-效率圖

隨著電動(dòng)汽車和新能源發(fā)電等應(yīng)用的快速發(fā)展，開發(fā)先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)成為迫切需求。在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池被認(rèn)為是最具潛力的儲(chǔ)能技術(shù)之一1。目前市場上普遍使用的鋰離子電池，其電解質(zhì)采用液態(tài)有機(jī)電解液材料，可能產(chǎn)生泄露、易燃易爆等問題，使鋰離子電池在使用過程中產(chǎn)生安全隱患。近年來，隨著電動(dòng)汽車的規(guī)模迅速擴(kuò)大，電池安全更是得到了空前的重視。針對安全問題，發(fā)展可以取代傳統(tǒng)電池里隔膜和電解液的固態(tài)電解質(zhì)，已經(jīng)成為最為有效的解決途徑之一。固體電解質(zhì)分為無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)兩大類。前者離子電導(dǎo)率高，但電極/電解質(zhì)界面處浸潤性很差；后者聚合物基體在低溫下結(jié)晶度高導(dǎo)致離子電導(dǎo)率低，但聚合物黏彈性好，界面可適性強(qiáng)2,3。目前，無機(jī)電解質(zhì)填料增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)有效的結(jié)合了兩者的優(yōu)勢4，但仍不能滿足固態(tài)鋰離子電池商業(yè)化發(fā)展的要求。因此，開發(fā)常溫下具有高離子電導(dǎo)率、低界面阻抗、化學(xué)穩(wěn)定且易制備的固體電解質(zhì)材料成為固態(tài)鋰電池領(lǐng)域一個(gè)重要的發(fā)展方向。

近日，清華大學(xué)材料學(xué)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(qiáng)的聚偏氟乙烯(PVDF)基固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)。其中 LLZO顆粒絡(luò)合極性溶劑分子引發(fā) PVDF鏈斷改性，從而促進(jìn)電解質(zhì)性能提升。其室溫離子電導(dǎo)率高達(dá) 5 × 10-4S·cm-1。該電解質(zhì)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(zhì)具有更強(qiáng)的機(jī)械性能，相比于無機(jī)氧化物陶瓷，對電極材料具有更好的界面兼容性。同時(shí)，該電解質(zhì)膜具有良好的熱學(xué)穩(wěn)定性。采用該固態(tài)電解質(zhì)膜制備的固態(tài)鋰離子電池在室溫下展現(xiàn)了良好的循環(huán)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(fā)表5。該工作中報(bào)道的固態(tài)電解質(zhì)膜，制備工藝簡單且綜合性能優(yōu)異，有望用于固態(tài)鋰電池電解質(zhì)膜商業(yè)化、規(guī)模化的生產(chǎn)，促進(jìn)固態(tài)鋰電池領(lǐng)域的發(fā)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