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宁波材料所在复合固体电解质离子迁移机制方面取得重要进展
作者:,日期:2021-04-23

  相对传统的液态电解质锂离子电池,采用固体材料作为电解质的全固态电池具有更高的能量密度和安全性。其中以聚合物固态电解质为基体、无机固态电解质为填料所制备的复合固态电解质,具有良好的电极-电解质界面接触,以及较高的离子电导率,是近年来的研究热点。理解复合固体电解质中电荷迁移及其结构演变是设计高性能固体电解质的关键之一。

  一分快3app下载动力锂电池工程实验室沈彩副研究员在前期(ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 25441-25447;Small Methods 2018, 2, 1700298; Journal of Microscopy, 2020, 1, 49-57;Nano Energy,2021, 83, 105847)工作基础上,采用锂镧锆氧(LLZO)无机固态颗粒和聚氧化乙烯(PEO)聚合物基体,制备了不同LLZO含量(0 wt.%、50 wt.%、75 wt.%)的LLZO-PEO复合固态电解质,采用峰值力导电原子力显微镜,研究了温度和LLZO含量对该复合固态电解质中离子迁移的影响。研究表明,当温度低于PEO的玻璃化温度转变点(Tg)时,PEO基体为链状的结晶态,LLZO颗粒的加入使得LLZO与PEO的界面处形成了PEO非晶区,从而降低了PEO的结晶度和玻璃化转变温度。结合微区定量纳米力学测量技术,发现随着温度的升高,该电解质的杨氏模量降低,粘附力升高。温度低于玻璃化转变温度Tg时,无论LLZO含量如何,锂离子都只能沿非晶态的PEO进行迁移;温度高于Tg时,当加入少量LLZO颗粒时,锂离子主要沿非晶区PEO进行迁移,随着LLZO含量(75 wt.%)的增加,LLZO颗粒在PEO基体中形成连续的离子导电网络,锂离子可以在高温下通过LLZO颗粒进行迁移。在所制备的电解质中,离子迁移电流高于电子电流三个数量级,占主导地位。其中PEO区域的电子电流远大于LLZO颗粒,说明LLZO颗粒的加入可以提高复合电解质的电子绝缘性能。由于LLZO具有较高的模量和优异的绝缘性能,因此LLZO颗粒的加入有望抑制金属锂负极中锂枝晶的生长。

  该工作在有机固体电解质玻璃化转变状态下直观地揭示了无机填料含量和工作温度对复合固态电解质性能的影响,对锂离子电池固态电解质的设计和开发具有重要的指导意义。研究结果发表在Energy Storage Materials 2021。沈彩副研究员为论文第一/通讯作者,黄云博为共同第一作者,刘兆平研究员为共同通讯作者。

  以上工作得到了国家重点研发计划(2016YFB0100106)、国家自然科学基金(U2032126)、浙江省自然科学基金-台州联合基金(LTY20B030001)等项目支持。

  (动力锂电池工程实验室 沈彩 黄云博)