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崔光磊研究员课题组近期工作汇总

【学术动态】
目前商业化的锂离子电池普遍采用易燃烧的液态电解质,存在着安全隐患和能量密度低的问题。聚合物固态电解质具有安全性好、能量密度高及循环寿命长等优点,被认为是解决目前锂离子电池安全性和能量密度的有效途径。然而,聚合物固态电解质室温离子电导率低及聚合物电解质与电极材料之间固-固界面阻抗大是阻碍其进一步发展的两大瓶颈问题。针对上述问题,课题组创造性地提出“刚柔并济”的聚合物电解质设计理念并制备了一系列聚合物电解质体系,同时设计合成出了与之相匹配的高解离度锂盐,进一步提高聚合物电解质的综合性能。另一方面,为了进一步减小固-固界面阻抗,作者采用了“原位自形成固态电解质”的策略,采取原位聚合形成固态聚合物电解质技术路线,构筑一体化固态电池,有效降低界面阻抗和提升电池综合性能。
如图1所示,“刚柔并济”就是使用“刚”性骨架支撑材料,如细菌纤维素、聚酰亚胺、芳纶、聚芳砜酰胺、玻璃纤维和纤维素等材料,改善电池机械性能;利用“柔”性离子传输材料,如聚乙烯基甲醚-马来酸酐、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚氰基丙烯酸酯、聚碳酸亚乙烯酯(PEC)及聚碳酸丙烯酯(PPC)等赋予优异的离子传导性和界面稳定性,通过“并济”即两种或多种材料复合达到多赢的效果,实现电解质力学强度、耐热性能、电化学窗口、界面稳定性和离子电导率等综合性能的大幅提高,进而满足锂电池的要求。例如,课题组将超强细菌纤维素支持的聚(甲基乙烯基醚- alt-马来酸酐)作为4.45 V LiCoO2 锂金属电池的多功能聚合物电解质。这种基于LiCoO2锂金属电池的聚合物电解质在60 ℃下具有良好的容量保持率(在700次循环后仍有85%)。
崔光磊研究员课题组近期工作汇总  图1.“刚柔并济”的固体聚合物电解质体系
针对传统聚合物电解质锂离子迁移数低容易造成电解质浓差梯度的问题,课题组研发了与“刚柔并济”的聚合物电解质体系相匹配的大阴离子新型锂盐—LiTFPFB、PLTB、PLDB、PLPB等,如图2所示。研究表明所合成的新型锂盐表现出高的解离度、高的锂离子迁移数、高的热稳定性并表现出不腐蚀集流体Al的特性,进一步提高了聚合物电解质体系的性能。
崔光磊研究员课题组近期工作汇总图2.新型电解质锂盐结构
针对固态电池发展中固-固界面阻抗过大的瓶颈问题,研究团队从改善固-固界面接触问题入手,借鉴基于液态电解质的锂离子电池中生成固态电解质界面(SEI)的思路,提出“原位自形成固态电解质”的解决方案,采取原位聚合形成固态聚合物电解质技术路线,构筑一体化固态电池,有效降低界面阻抗和提升电池综合性能。基于此设计理念,研究团队将小分子量的VC(碳酸亚乙烯酯)通过原位自由基聚合形成高分子量的PVCA(聚碳酸亚乙烯酯)固态聚合物电解质。经表征发现,该方法用于4.35 V钴酸锂电池可极大降低界面阻抗并有效拓宽电化学窗口,大大提升了固态电池的循环稳定性和倍率性能。另外,研究团队遵循“1+1>2”的协同策略通过自由基聚合反应原位自形成了一种PAMM基聚合物电解质(参见图3)并表现出优异的高电压性能(5 V vs. Li+/Li),高的室温离子电导率(6.79 × 10−4 S/cm)和高的耐拉伸强度(27.5 MPa)。此聚合物电解质匹配钛酸锂(Li4Ti5O12)及镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)组装的全电池在0.1 C电流时循环100圈仍能释放出128 mAh/g的容量。
崔光磊研究员课题组近期工作汇总图3.原位自形成PAMM基聚合物电解质原位反应示意图
相关成果:
Energy & Environmental Science 2018, 11 (5), 1197-1203; Chemistry of Materials 2018, 30 (12), 4039-4047; Chemical Science 2018, 9 (14), 3451-3458; Journal of Materials Chemistry A 2018, 6 (25), 11846-11852; Angewandte Chemie International Edition, 2017, 56 (27), 7871-7875; Advanced Science 2017, 4, 1700174; Advanced Science 2017, 4 (2), 1600377; Chemistry of Materials, 2017, 29 (11), 4682-4689; Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5 (22), 11124-11130; ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9 (10), 8737-8741; Energy Storage Materials, 2016, 5, 139-164; Advanced Energy Materials 2015, 5 (24), 1501082; Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3 (15), 7773-7779.
二、可充电Mg、Zn电池
Mg电池具有价格较低、体积能量密度高(3833 mAh/cm3)、安全性高、无枝晶等优点。然而,镁二次电池目前的瓶颈问题在于缺乏稳定、无腐蚀性、宽电位窗口电解液体系。基于此,该课题组提出了硼基大阴离子镁基电解质的设计理念并以此为指导合成了具有高离子电导率、非亲核性、宽电化学窗口等优异性能的镁系电解质体系,构建了高能量密度镁电池体系。相关成果发表在Advanced Functional Materials, 2018, 28 (1), 1701718;Energy & Environmental Science, 2017, 10 (12), 2616-2625;Advanced Energy Materials, 2017, 7 (11), 1602055;ACS applied materials & interfaces, 2018, 10(28): 23757-23765;Electrochemistry Communications, 2017, 83, 72-76;Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4 (6), 2277-2285。
    
Zn电池具有资源丰富,价格低廉;低的还原电位(-0.76V vs SHE);可以稳定存在于氧气和潮湿环境中,操作成本低,安全性高;锌元素无毒,环境友好等优点。然而,存在容量衰减快, 循环寿命短;库伦效率低等缺点。该课题组发现了超高浓度有机金属盐基电解液可有效改善锌电池充电效率低和循环寿命差的弊端,据此开发出了长循环寿命、高能量密度新型锌二次电池。并利用热可逆凝聚合物解决了电极-电解液界面,提出了“低温自修复”的理念,解决了电池界面的失效问题。相关成果发表在Electrochimica Acta 2018, 280, 108-113;Angewandte Chemie International Edition, 2017, 56 (27), 7871-7875;Electrochemistry Communications, 2016, 69, 6-10等期刊。
【老师简介】
崔光磊,博士,研究员,博士生导师,享受国务院特殊津贴专家,先后获得中科院“百人计划”终期评估“优秀”奖、山东省“泰山学者”特聘专家、国家自然科学基金“杰出青年”基金获得者称号等。主要从事低成本高效能源储存与转换器件的研究,作为负责人和主要参与者承担国家自然科学杰出青年基金、国家973计划、863计划,国家自然科学基金面上项目,省部级及中科院先导专项、企业横向项目等多项科研项目。先后在材料、化学、能源材料等方面的国际权威杂志Angew.Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Small、Energy Environ. Sci.、ChemSusChem、Chem. Commun.、J.Mater. Chem发表相关论文160余篇,申请国家发明专利105项,已授权44项。

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