固体电解质

固态锂金属电池在电动汽车应用中越来越受欢迎，因为它们用更安全的固态电解质代替易燃液体电解质，这种电解质还提供更高的能量密度和更好的抗锂枝晶形成的能力。固体聚合物电解质 (SPE) 因其可调节的机械性能和易于制造而成为极具前景的候选材料；然而，它们对锂金属的电化学不稳定性、中等的电导率和对Li/SPE中间相知之甚少阻碍了在实际电池中的广泛应用。特别是，与SPE相关的低库仑效率(CE)的起源仍然难以捉摸，因为关于它是否源于不利的界面反应或锂枝晶生长和死锂形成的争论仍在继续。在这项工作中，我们使用最先进的冷冻电镜成像和光谱技术来表征界面的结构和化学性质，和基于聚丙烯酸酯的SPE。与传统知识相反，我们发现由于沉积的锂枝晶与聚丙烯酸骨架和丁二腈增塑剂之间的持续反应，没有形成保护性界面。由于反应引起的体积变化，在锂枝晶内部形成了大量具有应力-腐蚀-开裂行为的裂纹。在此观察的基础上，我们利用液体电解质的知识引入添加剂工程，并证明使用氟代碳酸亚乙酯可以有效地保护Li表面免受腐蚀，从而产生致密堆积的Li0具有保形和稳定的固体电解质界面膜的圆顶。由于 1.01 mS cm-1的高室温离子电导率、0.57 的高迁移数和稳定的锂-电解质界面，这种改进的 SPE 提供了99%的优异锂电镀/剥离 CE 和 1,800 小时的稳定循环在 Li||Li 对称电池中（0.2 mA cm -2 , 1 mAh cm-2）。这种改进的阴极稳定性以及高阳极稳定性使得 Li||LiFePO4的循环寿命达到创纪录的 2,000 次循环，Li||LiCoO2全电池的循环寿命达到 400 次。使用基线 SN-SPE 电镀的含锂枝晶的 3D 形态和化学性质a、b、低温 HAADF-STEM 图像 ( a ) 和基于 HAADF-STEM 图像的低温断层扫描获得的代表性细丝的3D 重建 ( b )。c ， a中细丝的 3D 横截面分析。d，来自不同区域的几种细丝的 EDS 图。结果表明，O、C、N、S 和 F 分布在整个灯丝的所有位置。e，灯丝的 EELS。在光谱中识别出 C、N 和 O 物种。a , b , 低温 HAADF-STEM 图像和 EDS 图：比例尺，指定区域的 3 μm ( a ) 和 4 μm ( b )。O、C、N、S和F在圆顶表面的富集表明形成了致密且均匀的SEI。c，镶嵌SEI的低温原子分辨率TEM图像，该镶嵌SEI由具有不同晶体取向的密集排列的纳米级域组成。（红色圆圈表示晶畴，红线表示晶格平面的取向。）d，SEI 内的 Li2O 纳米晶体的原子结构。晶面的晶格间距。纳米晶体由线和箭头表示。插图显示了盒装区域的快速傅里叶变换。FEC-SPE 衍生的 SEI 的化学成分和电化学性能溅射时间为 0 分钟和 10 分钟的 FEC-SPE 衍生 SEI 的a – c、 F 1 s ( a )、O 1 s ( b ) 和 C 1 s ( c ) XPS 光谱。LiF、Li 2 O和Li 2 CO 3被确定为SEI组分。d、e、XPS 定量分析源自 FEC-SPE ( d ) 和 SN-SPE ( e ) 的 SEI。FEC-SPE 衍生的 SEI 表现出更高的 F 含量和更高的 S 含量。F, 在 50 °C 下用原始锂金属测试的 FEC-SPE 的临界电流密度。Li||SPE||Li对称电池在升压电流密度下循环，在3.2 mA cm -2之前没有发生短路。充放电时间固定为0.5小时。g，在 PNNL 协议下测试的锂剥离/电镀 CE。h，在0.1 mA cm -2、0.1 mAh cm -2和室温下循环Li||FEC-SPE||Li电池时的EIS演变。在循环 18 小时后实现了低且恒定的电荷转移电阻。制备的 SPE 在大面积容量条件下的 Li 沉积形态和电化学行为采用不同正极材料、面积容量和 N/P 比的 FEC-SPE 基全电池的室温性能a，Li||FEC-SPE||LFP 电池在 0.5C 下的循环稳定性。LFP 的面积质量负载为2 mg cm -2。b，Li||FEC-SPE||LFP 电池在 0.5C 循环下第 1、500、1000、1500 和 2000 次循环的充放电曲线。c – e，长期循环稳定性 ( c )、充放电曲线 ( d ) 和Li||FEC-SPE||LiCoO 2电池在 22 °C 下的倍率性能 ( e )。LiCoO 2面积负载为~5 mg cm -2。f，具有有限Li阳极（2 mAh cm -2）和LiCoO 2的低N/P比电池性能阴极（~5 mg cm -2）。电池在 22°C 和 0.5C 下循环。g ，具有商业高负载LiFePO4和NMC811阴极的FEC-SPE基固态电池在低N/P比条件下的循环性能。电池在 0.2C 和 22°C 下以 5 mAh cm -2的 Li作为阳极进行循环结论在这项工作中，我们发现了 Li 负极的降解机制。我们发现，由于缺乏稳定的 SEI，Li 负极会由于副反应和体积变化引起的应力腐蚀而降解。通过使用冷冻电镜成像和光谱技术，我们彻底研究了固体聚合物电解质和Li 负极之间的固体-电解质界面的结构和化学性质。以此表征为指导，我们通过增材工程成功开发了一种新型 SPE 来控制 SEI 的形成，并最终证明了新型 FEC-SPE 在全电池中的应用，实现了长循环寿命（ 2,000 次循环）、高电流密度和高面积容量。我们发现，固体聚合物电解质中的 FEC 添加剂可产生主要包含无定形 F 相关物质的富 F SEI，这最终可以在提高 Li 0负极的可逆性方面发挥重要作用。这项工作还为固体聚合物电解质提供了一种设计策略，即通过添加剂工程控制 SEI。论文信息论文题目：Characterization of the structure and chemistry of the solid–electrolyte interface by cryo-EM leads to high-performance solid-state Li-metal batteries通讯作者：Ruoqian Lin，Xiao-Qing Yang ，Kang Xu & Huolin L. Xin通讯单位：美国纽约州厄普顿布鲁克海文国家实验室化学部，美国陆军研究实验室，美国加州大学尔湾分校

全固态锂离子电池因为采用固体电解质，不含易燃、易挥发组分，彻底消除因漏液引发的电池冒烟、起火等安全隐患，被称为最安全的电池体系。固体电解质是全固态锂离子电池的核心部件，硫化物固体电解质因为高离子电导率、合适的电化学窗口以及较好的力学性能而受到广泛关注。目前，制备含硫固体电解质的方法一般采用振动球磨法长时间球磨混合前驱体原料后，再高温煅烧而获得。深圳大学田冰冰教授团队首次报道了一种创新的制备含硫固体电解质的方法：采用刀片式研磨机高速混合前驱体原料，仅需不到5分钟，即可进入煅烧步骤制得含硫固体电解质。通过此法制得的硫化物固体电解质离子电导率高达20 mS cm-1，组装成固态电池后测得在0.1C电流密度下，比容量达到165 mA h g-1，同时，具有良好的倍率性能和循环寿命。如下为文献[1]中提到的刀片式研磨机高速混合与传统球磨方法的优势对比：制备方法传统球磨高速研磨混合设备行星式球磨机高速刀片式研磨机混合方式球磨刀片研磨最大处理量50g500g转速180/360rpm10000-25000rpm耗时重复次数1-2h10-20次25s6次煅烧条件取10-20g置于密封石英管中460-555℃×16h取100-300g置于氧化铝坩埚中460-555℃×16h显然，采用高速刀片式研磨机混合前驱体，处理量增大了近十倍，且缩短了研磨时间，大大提高了制备效率。IKA Multidrive control研磨机是一款采用了德国先进制造工艺的高速刀片式研磨机，可满足各种需要高速研磨或高速混合的应用场景。 关于IKAIKA 集团是实验室前处理、分析技术、 工业混合分散技术的市场领导者。电化学合成仪、磁力搅拌器、顶置式搅拌器、分散均质机、混匀器、恒温摇床、恒温培养箱/烘箱、移液器、研磨机、旋转蒸发仪、加热板、恒温循环器、粘度计、量热仪、生物反应器、化学合成釜、实验室反应釜等相关产品构成了IKA 实验室前处理与分析技术的产品线；而工业技术主要包括用于规模生产的混合设备、分散乳化设备、捏合设备、以及从中试到扩大生产的整套解决方案。IKA 还与全球知名大学和科学家进行着密切的合作, 支持其在科研道路上不断探索。我们致力于为客户提供更好的技术, 帮助客户获得成功。IKA 成立于1910年，集团总部位于德国南部的Staufen，在美国、中国、印度、马来西亚、日本、巴西、韩国、英国、波兰等国家都设有分公司。 艾卡（广州）仪器设备有限公司是IKA 集团于2000年设立的全资子公司，主要负责为中国和蒙古国提供产品、技术和服务支持。

p style=" text-align: center " /p p style=" text-align: center " strong img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/a9849a7c-1457-4d49-ab26-81b4bbc2cb08.jpg" title=" A solid polymer electrolyte film that’s being utilized in lithium batteries.jpg" width=" 300" height=" 161" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 300px height: 161px " / /strong /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " strong 由Zhu博士领导的研究中锂电池上正在使用的固体聚合物电解质薄膜。 /strong /span /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " strong 图片来源：阿克伦大学。 /strong /span /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 嵌入式医疗设备、无人驾驶飞行器、电动汽车 /strong /span strong 和 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 其他类似产品 /span 的电源，对它们的性能至关重要。 /strong /p p 　　那么，如果像锂电池这种能量储存装置没有如预期工作，会发生什么呢?一辆电动或混合动力汽车将无法使用，急需的生物医学器具会耽误病人的健康。 /p p 　　这些都是聚合物科学教授Yu Zhu博士和其他科学家共同努力避免的后果。 /p p 　　Zhu的研究小组的论文题目为 strong i “一种超离子导体导电的，电化学稳定的双盐聚合物电解质” /i /strong ，可以在《焦耳》，细胞出版社的前瞻性期刊上浏览，该刊物涵盖各个领域的能源研究。 /p p 　　Zhu和他的研究团队发明了一种固体聚合物电解质，可用于锂离子电池，以替代现有的液体电解质，可提高锂电池的安全性和性能。 /p p 　　Zhu谈到， strong 由于电极的高界面电阻和低离子导电性，固体电解质并未在锂电池领域进行市场推广 /strong 。然而，Zhu和他的团队发现， span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 室温条件下，一种双盐基聚合物固体电解质在锂电池电极材料和超离子导体导电性方面表现出优异的电化学稳定性 /span 。 /p p 　　 span style=" color: rgb(31, 73, 125) " i “长期以来，人们一直考虑将固体电解质用于锂离子电池，因为它的阻燃性，高机械强度，可能会减轻电池故障造成的灾难。电池的安全性和能量密度是锂电池新兴应用领域的主要问题，比如在电动汽车中的使用。 /i /span /p p span style=" color: rgb(31, 73, 125) " i 　　如果固态聚合物电解质得到成功开发，电池的能量密度将会翻倍，锂电池的安全问题也会被消除。这项研究为开发具有前景的锂电池用固体电解质奠定了强有力的基础。” /i /span /p p style=" text-align: right " span style=" color: rgb(31, 73, 125) " 本文主要作者，Yu Zhu博士 /span /p p 　　该研究团队已建立了一家名为 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Akron PolyEnergy /span 的公司，该公司将进一步开发这种方法，并为未来的商业化目标制备一个大型原型样品。 /p p 　　Zhu的研究生， span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Si Li /span 和 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Yu-Ming Chen /span ，是这项研究的主要作者。其他科学家还有研究生 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Wenfeng Liang，Yunfan Shao span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 和 /span Kewei Liu /span ，以及位于校内的国家高分子创新中心仪器科学家 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Zhorro Nikolov /span 博士。 /p