锂离子电池是当今电池世界的霸主,随着对能量密度越来越高的要求,采用金属锂负极成为大势所趋,而金属锂负极进一步增加了电池安全风险。解决电池安全性能的重要任务,就这样落到了全固态锂电池的肩上。

为了获得与基于液体电解质的锂电池相当的能量密度,固体电解质需要具有高离子电导率、力学强度好、不可燃、化学稳定性等特性。然而,用于液体电解质的商业聚合物电解质隔板厚度仅有10 μm左右,如果采用如此薄的固体电解质势必会极大地增加电池短路的风险。

有鉴于此,斯坦福大学崔屹课题组设计了一种全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物复合固体电解质,可以确保全固态锂离子电池的安全性能。

图1. 聚合物-聚合物 SPE设计

要点1:设计理念

复合固态电解质必须由坚固、不易燃的主体制成,采用具有垂直排列的纳米通道和锂离子导电SPE填料。高模量主体防止枝晶渗透,而对齐的通道增强SPE填料的离子导电性。复合电解质的超薄和聚合物-聚合物性能使得全电池具有极大的柔韧性,低电解质电阻和潜在的高能量密度。研究团队采用高模量的纳米多孔聚酰亚胺(PI)主体和PEO /锂双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(LiTFSI)聚合物电解质进行概念验证,这种PI / PEO / LiTFSI固体电解质中,超薄多孔PI基质厚度仅8.6 μm。

图2. PEO/LiTFSI表征

要点2:优异性能

虽然商业锂离子电池的理论能量密度接近480 Wh kg-1,但是当在计算中考虑金属壳体,正负极集流器时,理论值减少一半。如果进一步考虑隔板和液体电解质时,能量密度理论值还要进一步降低。然而,当使用PI / PEO / LiTFSI电解质(246 Wh kg-1)时,全固态电池的能量密度与液体电解质电池的能量密度相当,并且远高于其他的电解质电池。

全固态电池中超薄超轻的PI / PEO / LiTFSI(1.12 mg cm-2)具有与隔膜/液体电解质(1 mg cm-2)相似的面积密度,确保其优于其他固体电解质系统。由于全固态LIB的电池外壳可能比液体电解质LIB更简单,所以固体聚合物-聚合物复合材料LIB的能量密度可能会更高。进一步,通过高容量锂化学,例如硫和金属锂,可以实现更高的能量密度。

图3. 全电池性能

由于PI膜不易燃,力学强度高,即使经过1000多小时的循环,也可持续防止电池短路,保证安全性。垂直通道可提高注入的离子电导率(30°C时为2.3×10-4 S cm-1),基于PI / PEO / LiTFSI固体电解质制造的全固态锂离子电池在60°C时具有良好的循环性能(C / 2速率下200次循环),并可承受弯曲,切割和钉子穿透等测试。

图4. PI/PEO/LiTFSI力学测试和耐火测试

图5. PI/PEO/LiTFSI滥用测试

小 结

总之,这项研究设计了一种超薄、柔性、安全的聚合物复合固体电解质,为发展更安全、更高效的全固态锂离子电池起到重要推动和良好的借鉴。

参考文献:

JiayuWan, Jin Xie, Yi Cui et al. Ultrathin, flexible, solid polymer compositeelectrolyte enabled with aligned nanoporous host for lithium batteries. NatureNanotechnology 2019.