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香港科技大学:新型电解质 实现高容量、长循环全固态锂电池!

来源:材料科学与工程微信公众号|

发表时间:2021-09-22

点击:2738

目前的全固态锂电池(ASSLB)制造通常需要费力地制作和组装单个电极和固体电解质,这不可避免地会导致较大的界面电阻。此外,由于机械强度不佳,大多数固体电解质都是过厚的,从未维持机械强度,但是这样做并不能阻止锂树枝晶的形成。这些因素限制了ASSLB的可获得能量密度和可循环性。


来自香港科技大学的学者报道了一种用于可伸缩ASSLB制造的新型集成阴极/固体电解质,方法是在阴极上直接制备超薄而坚固的FBER网络增强的固体电解质。集成设计允许在界面和整个阴极处持续离子传导,从而显著降低界面电阻并实现更高的阴极负载。同时,较强的FBER网络使固体电解质具有极小的厚度和优异的枝晶抑制能力。结果表明,新研制的Li/LiFePO4ASSLB在0.5C和45°C下的容量为155.2 mAh g-1 ,500次循环后的容量保持率为84.3%。即使在正极负载量为13 mg cm-2的情况下,电池仍可提供124.1 mAh g-1的容量。此外,采用这种集成设计的袋式电池表现出良好的电化学性能和安全性,具有很大的实际应用前景。相关文章以“A High-Capacity, Long-Cycling All-Solid-State Lithium Battery Enabled by Integrated Cathode/Ultrathin Solid Electrolyte”标题发表在Advanced Energy Materials。



图1.a)全固态I-FPG电池连续制造工艺示意图。B)全固态C-PG电池和I-FPG电池的比较。


图2.a)全固态I-FPG电池示意图。扫描电镜图像(上图)和相应的表面形貌的数字图像:b)铸造阴极,c)在阴极上电纺的PVDF纤维网络,以及d)在阴极上制造的FPG电解质。E)I-FPG结构横截面的SEM图像。


图3.a)XRD图谱,b)FT-IR曲线,c)TGA结果,d)室温下的EIS图,e)FPG、PG和PEO电解质的Arrhenius图。F)FPG电解质、PG电解质(插图)和电纺PVDF纤维网络的应力-应变曲线。


图4.独立的a)PG和b)FPG电解质的横截面扫描电镜图像。C)在45°C、0.15和0.3 mA cm−2下使用FPG和PG电解质的Li/Li对称电池的循环性能。d)使用FPG的Li/Li对称电池在0.15 mA cm−2下继续循环。2.100次循环后, e)PG电解液和f)FPG电解液的Li/Li对称电池的表面形貌的扫描电子显微镜图像.


图5.45°C下全固态I-FPG、C-FPG和C-PG电池的电化学性能(A)奈奎斯特曲线,以及b)I-FPG、C-FPG和C-PG电池的倍率性能。C)I-FPG电池在不同速率下的电压分布。D)在0.5℃下循环的I-FPG、C-FPG和C-PG电池的循环性能e)C-FPG电池和f)I-FPG电池循环后阴极/固体电解质界面的横截面SEM图像


图6.高阴极负载下ASSLB的电化学性能。A)45°C下阴极负荷分别为5.6和13.0 mg cm-2的I-FPG、C-FPG和C-PG电池的电压范围。b)45°C下阴极负荷为5.6 mg cm-2的I-FPG、C-FPG和C-PG电池的循环性能。c)显示柔性I-FPG部分的数字图像。I-FPG袋电池的演示:d)电压分布和e)袋电池在0.3摄氏度、60°C下的循环性能;f)弯曲时为电子设备供电的袋电池照片;g)切割后的照片。H)使用开放文献中最近报道的基于PEO的电解液对ASSLB进行比较。


综上所述,本文成功地开发了一种集成阴极/超薄固体电解质结构,以实现ASSLB的高容量和高稳定性。通过在阴极上直接制备固体电解质,可以同时在阴极/电解质界面和阴极内部实现连续的离子导电,从而显著降低界面电阻,并允许使用高负荷阴极。此外,由于加强了坚固的FBER网络,获得了厚度为17µm的超薄固体电解质,并提高了抑制枝晶的机械强度。


封面图源自于图虫创意

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