祝红丽课题组:8.2V电压、204Wh/kg的双极全固态电池

祝红丽课题组:8.2V电压、204Wh/kg的双极全固态电池
与传统的使用有机液态电解液的电池相比,全固态电池理论上可以得到更高的安全性和更高的能量密度。其高能量密度一方面来源于与一些高能量密度电极材料的匹配,另一方面则是通过特有的电池堆叠方式,即双极全固态电池,来最大可能的减少非活性物质占比,提高电池堆的能量密度。双极堆叠是指多个电池在堆叠时相邻的电池共享同一个集流器并且封装在一起。由于液态电解液的流动性,所以传统的锂离子电池需要独立封装后再进行串/并联。而固态电池由于固态电解质的不可流动性,可以实现这种双极堆叠,一方面非活性物质,如集流器、极耳、外部连接、及封装材料等,得到最大可能的节省,另一方面,相邻的电池间的连接电阻减小,有利于得到更低的电池内阻和更高的功率密度。

在当前研究中,大部分报道的双极全固态电池是基于聚合物型、氧化物型、以及复合型固态电解质,这些电解质一方面导离子性能受限,另一方面,基于聚合物的电解质容易在高温下融化进而具有流动性导致电池内部短路。硫化物固态电解质具有与液体电解液相媲美的导离子性,但当前却鲜有关于双极全固态电池的报道。主要原因是缺乏可靠的基于硫化物电解质的层状电解质和电极的制备方法,来同时满足良好的成膜性、高机械强度、高性能等要求,使得堆叠电池间的一致性较差,进而导致双极全固态电池的电化学循环性能。

【工作介绍】
近日,美国东北大学祝红丽课题组等人报道了一种基于硫化物固态电解质的双极全固态电池。利用了一种具有双亲性、高粘结性、以及对硫化物高匹配的醚化纤维素,成功的制备了自支撑的层状正极、负极以及电解质薄膜。其中正极采用了一种单晶的高镍三元材料(NMC811),负极则是采用了一种基于硅纳米颗粒的复合材料。成功组装的双极全固态电池具有8.2 V的电压和基于整个电池(包含集流器)的高达204 Wh kg-1的能量密度。该文章发表在国际顶级期刊Energy Storage Materials上,曹大显博士为本文第一作者。

【内容表述】
所有的电极以及电解质层都是通过湿法制得。硫化物电解质对极性溶剂非常敏感,因此非极性的甲苯溶剂和具有双亲性的醚化纤维素被选用,醚化纤维素一方面作为分散剂将正极材料、固态电解质、以及负极材料分别均匀分散在甲苯溶液中,另一方面,经过抽滤成膜后作为粘结剂增强正极、电解质、及负极薄膜的强度,得到自支撑的具有可观机械强度的正极、电解质、负极薄膜。该课题组之前的工作中(Adv. Mater. 2021, 2105505),对醚化纤维素-甲苯体系在辅助电解质成膜做了研究。在制备好正极、电解质和负极后,便可以进行双极全固态电池的组装,不锈钢箔(10µm)由于对正负极的稳定性用作集流器,通过简单的集流器|正极|电解质|负极|集流器|正极|电解质|负极|集流器的叠加,并施加压力,便得到了双极全固态电池。双极电池组的电压则是由串联的电池数目决定。电极材料方面,一种单晶的NMC811被采用,其表面经过湿法处理得到了一层Li2SiOx的包覆来稳定与硫化物电解质的界面。负极采用了基于硅纳米颗粒的复合负极。
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示意图.双极全固态电池的(A)制备过程、(B)堆叠设计和(C)电极材料。
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图一. 正极薄膜的物相、机械强度、形貌以及在半电池中的电化学性能表征。
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图二. 负极薄膜的物相、机械强度、形貌以及在半电池中的电化学性能表征。
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图三. 单个全电池的形貌及电化学性能表征。
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图四. 双极全固态电池的电化学性能表征。
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图五. 双极全固态电池的能量密度与传统堆叠方式的能量密度对比。

Daxian Cao, Xiao Sun, Ying Wang, Hongli Zhu, Bipolar stackings high voltage and high cell level energy density sulfide based all-solid-state batteries, Energy Storage Materials 2022. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.03.012

作者简介:
祝红丽教授 美国东北大学(Northeastern University)机械与工业工程系。她的研究方向专注于能源(全固态电池和液流电池)、生物质材料和先进制造等。从2012年到2015年,她在马里兰大学做博士后研究,致力于纳米纸柔性电子器件和能源的研究。从2009年到2011年,她在瑞典皇家理工学院进行材料科学及天然木材可降解和可再生生物质材料的研究。目前她的google scholar引用率13780余次,H因子58。
课题组主页:
https://coe.northeastern.edu/research/hongli_group/publication.html

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参考文献: