中國儲能網訊：全固態(tài)鋰電池具有安全性能高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，近年來已成為新型化學電源領域的研究開發(fā)熱點。固體電解質材料的選擇已成為全固態(tài)鋰電池走向應用的材料瓶頸，有機-無機復合固體薄膜電解質由于具有良好的柔韌性、界面兼容性、適于卷對卷大面積制備等特點越來越受到關注。中國科學院寧波材料技術與工程研究所固態(tài)鋰電池團隊近年來在該研究方向取得了系列研究進展。
團隊科研人員首次將具有超高鋰離子電導率的三元硫化物Li10GeP2S12 (LGPS)與聚氧化乙烯(PEO)鋰鹽體系進行復合，制備得到固體薄膜電解質材料。該電解質柔性可彎曲且膜厚可調，其室溫電導率達到1.18×10?5Scm?1，比傳統(tǒng)的PEO基電解質提高1個數量級，電化學窗口達到5.7V，大大拓寬正極材料的選擇范圍，同時展現出比較好的對金屬鋰穩(wěn)定性。由該電解質構建的全固態(tài)鋰電池LiFePO4/Li 在60oC，0.5C條件下，循環(huán)50周后電池容量保持率高達92.5%（圖1）。在此基礎上，科研人員采用琥珀腈對該電解質進一步進行性能優(yōu)化，改性后，其材料的室溫鋰離子電導率提高至~10?4Scm?1 (圖2)，使得由其構建的全固態(tài)鋰電池LiFePO4/Li在40oC條件下就能實現正常充放電工作，而文獻報道的該體系電池常規(guī)工作溫度為80oC。
由于硫化物固體電解質材料對處理及加工的環(huán)境比較敏感，采用空氣穩(wěn)定性更優(yōu)的氧化物類固體電解質Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP)與PEO復合，制備得到有機-無機復合固體薄膜電解質（圖3），雖然在離子導電特性方面會有所降低，但是更加容易實現低成本大面積制備加工。
另外，在開發(fā)新型聚合物電解質材料體系方面，科研人員采用一步法便捷地制備了一種結構可控的新型交聯聚合物電解質。該新型固體薄膜電解質表現出極高的鋰離子電導率（1.10×10-4Scm-1@30oC）、寬的電化學窗口（5.4V）、良好的機械性能和對金屬鋰穩(wěn)定性。固體電解質材料的部分關鍵性能指標達到國內領先水平。由其構建的全固態(tài)鋰電池LiFePO4/Li在60oC，0.2C條件下充放電循環(huán)100周后，容量保持率仍高達90.6%，庫倫效率接近100% (圖4)。
以上相關研究成果陸續(xù)發(fā)表于J. Power Sources, 2016, 301, 47-53; Electrochim. Acta, 2016, 210, 905-914; Solid State Ion., 2016, 295, 65-75; J. Power Sources, 2016, 331, 322-331。并已申請三項發(fā)明專利(CN 201511033107.7; CN 201610662266.1; CN 201610696494.0)。
上述研究工作得到了中科院納米先導專項(XDA09010201)、國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃，2013AA050906)、國家自然科學基金面上項目(51172250)等項目的支持。
圖1 全固態(tài)電池LiFePO4/Li循環(huán)曲線
圖2 不同SN含量修飾的電解質的電導率隨溫度變化曲線圖
圖3 固體薄膜電解質形貌及電鏡照片(PEO-20%LAGP體系)
圖4 全固態(tài)電池LiFePO4/Li 循環(huán)曲線(新型電解質: TMPEG-NPEG4K[2:1]-16:1)
