固化離子液體配線(xiàn)加強(qiáng)的高導(dǎo)開(kāi)框架氟化電解質(zhì)用于固態(tài)鋰金屬電池
二次電池是現(xiàn)代和未來(lái)大規(guī)模智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)和軍用電源不可或缺的儲(chǔ)能元件，當(dāng)前的鋰離子電池面臨著能量密度無(wú)法滿(mǎn)足電化學(xué)儲(chǔ)能需求，以及有機(jī)電解液可燃和泄漏致使存在安全隱患等諸多問(wèn)題。鋰金屬電池具有更高的能量密度，但面臨著鋰負(fù)極枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題。固態(tài)鋰金屬電池由于能量密度和安全性的雙重潛在優(yōu)勢(shì)，是下一代電化學(xué)儲(chǔ)能體系的研究熱點(diǎn)。作為關(guān)鍵組分的固態(tài)電解質(zhì)的性能優(yōu)劣很大程度上決定了固態(tài)電池能否成功運(yùn)行。傳統(tǒng)的氧化物和硫化物固態(tài)電解質(zhì)面臨著晶界電阻大、界面易鈍化、空氣中不穩(wěn)定以及電化學(xué)窗口窄等問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)新型固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)原型作為當(dāng)前電解質(zhì)體系的候選甚至替代者，具有迫切而重要的意義。
氟系固態(tài)電解質(zhì)具有電化學(xué)窗口寬（理論預(yù)測(cè)）、空氣穩(wěn)定性好、阻燃性好、鋰枝晶抑制潛力佳、機(jī)械加工性能好等優(yōu)勢(shì)，然而卻面臨著室溫電導(dǎo)率偏低（室溫下為10-6-10-7 S/cm）、成熟的合成方案缺乏等問(wèn)題。近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在氟基固態(tài)電解質(zhì)方面取得進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出一種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的開(kāi)框架富鋰相氟基固態(tài)電解質(zhì)Li3GaF6，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)固態(tài)電池的成功驅(qū)動(dòng)，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際能源/材料類(lèi)期刊Energy Storage Mater., 2020, 28, 37-46.上。
該團(tuán)隊(duì)之前分析總結(jié)了鹵化策略在固態(tài)電池和鋰金屬電池研究中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)（Energy Storage Mater.,14,100-117,2018），針對(duì)SEI層中LiF體相導(dǎo)電率低的問(wèn)題，他們從離子液體中合成富鋰相的冰晶石衍生物L(fēng)i3AlF6（室溫電導(dǎo)率高達(dá)~10-5 S/cm）作為固態(tài)電解質(zhì)添加劑，成功改善了SEI層的組分，抑制了鋰枝晶生長(zhǎng)（ACS Appl. Mater. Interfaces,10,34322-34331,2018）。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)采用低溫離子液體氟化的低能耗合成策略，成功制備了納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的富鋰氟化物固態(tài)電解質(zhì)Li3GaF6，其特征表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有開(kāi)放性的離子通道，而且晶粒邊界具有離子液體修飾。在電解質(zhì)片中，離子液體被固化成納米絮狀物，并作為原位粘合劑粘合周?chē)募{米粒子和整個(gè)電解質(zhì)薄片，阻止電解質(zhì)片在電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中的粉化和碎裂（特別在和電極的接觸界面處）。得益于界面處離子輸運(yùn)的增強(qiáng)，優(yōu)化的Li3GaF6實(shí)現(xiàn)了氟系固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率的最高記錄（室溫下接近10-4 S/cm）。固態(tài)Li/Li3GaF6/LiFePO4電池在1 C高倍率下可成功運(yùn)行至少150次循環(huán)。這項(xiàng)研究為氟化固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)解析、納米調(diào)控以及界面改性等方面提供了重要的科學(xué)素材，為固態(tài)電池的激活提供了新的思路。
相關(guān)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助和支持。
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