近日，我校胡宁教授团队在锂电池领域取得新的研究成果，并发表在国际顶级期刊Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202205560）上。
传统锂电池含有大量有机液体电解质，存在着起火甚至爆炸的隐患，而且能量密度低，难以满足航空航天、新能源汽车等新兴战略产业的要求。采用固态电解质取代有机电解液而发展起来的固态电池，是一种新型储能技术，有望解决传统锂电池的安全性问题，并能提高电池能量密度，应用于新能源汽车领域。作为固态电池的核心材料，发展兼具室温离子电导率高、离子迁移数大、与金属负极以及高压正极相容性好的固态电解质材料，具有非常重要的研究意义。
胡宁教授、重庆大学宋树丰副教授和厦门大学杨勇教授等，通过原位热引发自由基聚合反应，设计研究了一种“Superconcentrated Ionogel–in–Ceramic”（SIC，陶瓷中高浓度离子凝胶）固态电解质。该电解质不仅表现出超高的室温锂离子电导率（1.33×10-3 S cm-1），并且具有0.89的超高锂离子迁移数，且电化学窗口达5.5 V，匹配金属锂负极和NCM523、LiFePO4 的固态电池表现出优异的循环稳定性。相关工作以“Enabling High–Voltage “Superconcentrated Ionogel–in–Ceramic” Hybrid Electrolyte with Ultrahigh Ionic Conductivity and SingleLi+–ionTransference Number”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202205560）上。第一作者为重庆大学博士研究生翟艳芳，我校胡宁教授、重庆大学宋树丰副教授和厦门大学杨勇教授为论文的通讯作者。
该研究中，通过将石榴石(LLZO)电解质纳米颗粒与高浓度离子凝胶(3m LiTFSI-EmimFSI-PMMA)有机结合，形成了一种高压单离子导电的“陶瓷中高浓度离子凝胶”(SIC)新型固态电解质。同时采用原位聚合的方法，来解决离子凝胶中聚合物在离子液体中的不混溶问题以及界面问题。制备流程如下图所示。与商业PP隔膜相比，所制备的SIC电解质具有更高的耐热性(图c)。
图1 (a) PMMA自由基聚合反应. (b) SIC电解质的设计示意图.(c) SIC电解质与商用PP隔膜的耐热性比较.
电解质是电池的关键组成部分之一，它不仅能分离阴极和阳极，还能输运离子。在陶瓷和高浓度离子凝胶界面上的强烈化学相互作用导致一个集成的结构，使电解质在室温下表现出1.33 × 10-3 S cm-1 的高离子电导率，满足电解质的实际应用要求，且在零下30℃离子电导率仍为1.68×10-5 S cm-1，优于多数电解质材料。且该电解质电化学窗口为5.5 V，电子电导率仅为3.14 × 10−10 S cm−1，Li离子迁移数高达0.89，超高的离子电导率和较大的Li离子迁移数结合，使该电解质在锂金属电池的应用中具有广阔前景。
图2(a) SIC电解质和高浓度离子凝胶室温交流阻抗谱.(b) SIC电解质和高浓度离子凝胶的电导率-温度曲线.(c) SIC电解质直流极化曲线.
(d) SIC电解质和高浓度离子凝胶的线性扫描伏曲线.(e) SIC电解质对称电池的电流时间-曲线.(f) 高浓度离子凝胶的对称电池的电流时间-曲线.
图3 (a)Li‖LiFePO4固态电池的容量-电压曲线.(b)Li‖LiFePO4固态电池的循环.(c)Li‖LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2固态电池的容量-电压曲线. (d)Li‖LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2固态电池的循环.(e) SIC/NCM523界面SEM/EDS图.
通过液相前驱体的原位聚合形成复合电解质，可以解决电解质和电极之间的高界面电阻问题。研究团队利用陶瓷和超浓缩离子凝胶的优点，包括良好的锂金属稳定性和稳定的电解质/正极截面，组装了Li‖NCM523和Li‖LiFePO4固态电池，Li‖LiFePO4电池在25℃，倍率为1C的条件下稳定工作300圈，且库伦效率接近于100%。而Li‖NCM523电池在室温和1C条件下的良好循环，表明该电解质可以与高压（4.3V）正极材料相匹配。且从SEM图可以看出SIC电解质与NCM523紧密结合在一起，从N和F的EDS图中可以看出，离子凝胶浸润在正极材料内部，从而导致低的界面电阻。因此，这种“陶瓷中高浓度离子凝胶”固态电解质为高安全、高能量密度锂金属电池提供了一条新的途径。
该研究工作得到了河北省重点研发计划、河北省自然科学基金创新研究群体、天津市科技计划等项目的资助和支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.20220556
材料来源：胡宁教授团队 编辑：闫涵 审核：胡宁
