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银河app:物理所在聚合物固态钠电池研究中取得进展
本文摘要:固态电池是发展下一代低安全性、低能量密度电池的关键技术。

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固态电池是发展下一代低安全性、低能量密度电池的关键技术。在发展固态电池的技术路线中,聚合物电解质由于具备较好的柔韧性,不利于在电极与电解质之间构成较好的界面认识,需要忍受电极材料在充放电过程中的体积应力,且质量重、更容易加工,合适大规模生产,受到学术界研究人员的普遍注目。聚合物液体电解质(SPE)传统制取工艺流程一般来说是溶液沉淀吊装-大自然风干成膜-真空高温浸泡去溶剂。然而由于真空高温浸泡为全然物理方法很难将SPE膜中瓦解的溶剂分子100%除去(图1a),残余的液体不会造成电池在随后的循环过程中再次发生溶剂分子分解成以及在界面处与电极再次发生副反应,从而造成界面电阻减小、极化减小、循环寿命和库伦效率低等一系列问题。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源实验室E01两组博士刘丽露和戚兴国,在研究员胡勇胜和副研究员索鎏敏的指导下,明确提出一种通过化学反应原位除去SPE中瓦解权利溶剂分子的方法。该方法关键在于通过调控挑选适合溶剂、盐以及添加剂人组,在溶剂除去过程中精妙设计盐-溶剂分子-添加剂两步化学反应过程,构建将残余的溶剂最后转化成为一种平稳添加剂表面外壳层(图1b),进而超过完全除去瓦解溶剂的目的。

使用去离子水和NaFSI分别作为溶剂和盐,聚合物自由选择可水溶液水的PEO。NaFSI结构上的S-F键不平稳,时逢水会再次发生黯淡的水解产生HF,更进一步加到纳米Al2O3颗粒将中间产物转化成为AlF3·xH2O(图1,图2)。使用该工艺制取的SPE有效地减少了固态电池界面副反应,很大地提高了电池的库伦效率、循环稳定性和倍率性能。使用磷酸钒钠(NVP)和金属钠(Na)分别作为负极和负极装配固态电池NVP|SPE|Na,NVP|FSI-Al2O3-AQ|Na固态电池首周共轭比容量为110mAh/g,库伦效率为93.8%,超过了使用液体电解质时的水平。

NVP|FSI-Al2O3-AQ|Na固态电池在1C倍率下循环2000周的过程中,库伦效率始终保持在~100%,循环2000周以后容量维持率为92.8%,平均值每周容量衰减率仅有为0.0036%。对金属钠的平面电池在100μA/cm2的电流密度下可平稳循环800h(图3b)。电池循环过程中电化学电阻序也维持比较平稳。使用该研究工作中所设计的SPE装配的固态钠电池的循环稳定性是目前所报导的循环稳定性最差的聚合物固态钠电池(图3)。

该工作利用盐的吸水性和盐本身的性质,构建了原位化学反应除去SPE中瓦解溶剂(水)分子,并且SPE的整个制取过程在空气中展开,需要湿度掌控或气氛维护。同时,水作为溶剂构建了绿色、无污染、低成本的SPE制取过程。该工作对于发展固态锂/钠电池中原位反应掌控界面、人为调控界面具备最重要的糅合意义。

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该研究结果近日公开发表在ACSEnergyLetters上(ACSEnergyLetters,2019,4,1650-1657),文章为题InSituFormationofaStableInterfaceinSolid-StateBatteries。涉及工作获得国家重点研发计划(2016YFB0901500)和国家自然科学基金(51725206,51421002和51822211)的反对。图1.(a-b)SPE制取过程示意图:a)传统过程;b)所设计的过程;(c)NaFSI和NaTFSI的化学结构图2.(a)FSI-1%Al2O3-AQ、FSI-1%Al2O3-AN和TFSI-1%Al2O3-AQ电解质膜的XPS图谱;(b)Al2O3分别在NaFSI水溶液、NaFSI乙腈溶液和NaTFSI水溶液中反应后的红外光谱;(c)Al2O3分别在NaFSI水溶液、NaFSI乙腈溶液和NaTFSI水溶液中反应离心后的照片和TEM图;(d-e)Al2O3在NaFSI水溶液中反应离心后的高分辨TEM图(d)和XPS图谱(e)图3.。


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