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如何抑制充放电过程中锂枝晶的生长?

导读: 充放电过程中锂枝晶的生长容易刺破隔膜,造成安全隐患。为了提高锂离子电池的能量密度和安全性,选用固态电解质制备全固态锂离子电池已成为研究热点。

    目前广泛使用的锂离子电池采用可燃的液态电解质,在充放电过程中可与锂离子发生不可逆反应,形成固体电解质界面膜(Solid electrolyte interphase,SEI)。该过程不仅导致活性物质和电解质的损失,而且降低了库伦效率。

  另外,充放电过程中锂枝晶的生长容易刺破隔膜,造成安全隐患。为了提高锂离子电池的能量密度和安全性,选用固态电解质制备全固态锂离子电池已成为研究热点。

  科学家们已经研究了各种有机、无机固态电解质,但由于各自的不足,一直未得到广泛应用。陶瓷电解质具有一定的机械强度和较高的离子迁移数,但较大的固-固界面阻碍了离子传输。

  而且与传统液态电解质相比,锂金属的形核和生长更容易在陶瓷晶体晶界处发生。对常用的聚合物电解质PEO来说,只有在温度高于熔点时(62℃),才具有较好的离子传导性。

  在充电过程中,较低的离子传导使得在锂/聚合物界面形成双电层,加速了锂枝晶的形核和电解质的分解。该工作将两种电解质的优点相结合,制备三明治结构(polymer/ceramic/polymersandwich electrolyte, PCPSE)固态电解质,并通过全固态锂离子电池验证其有效性。

  Figure 1. (a)Illustration of all-solid-state battery design with the PCPSEelectrolyte. (b)Structure of polymer CPMEA.

  实验选用CPMEA(poly(ethylene glycol) methyl etheracrylate)作为聚合物层,Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)作为陶瓷层。Li/LiFePO4全固态电池测试结果表明,与纯聚合物电解质相比,该三明治结构固态电解质可提高锂离子电池的循环稳定性和倍率性能。

  在0.51mAcm-2电流密度下,经640次循环后容量仍保持102mAh/g。当电流密度增至1mAcm-2,仍可保持105mAh/g的比容量。在0.2C~0.6C倍率范围内,电池库伦效率几乎保持99.9± 0.1%。优异的循环稳定性也证明该PCPSE可有效抑制锂枝晶生长。

  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.

  综上,该工作设计了一种有效的三明治结构固态电解质,并提出抑制锂枝晶生长的新思路,对固态电解质和全固态锂离子电池、锂金属电池的研究具有指导意义。

 

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