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具有非对称功能化层的固态电解质提升金属锂电池性能

在固态金属锂电池中正极要求固态电解质具有较好的柔韧性以确保较低的界面电阻,金属锂负极需要固态电解质具有较强的刚性以抵挡金属锂枝晶的刺穿。固态电解质分为固态聚合物电解质与无机陶瓷电解质。固态聚合物电解质较好的柔韧性使得固态金属锂电池具有较低的界面电阻,但是其工作温度下较低的机械性能难以抵挡金属锂枝晶的刺穿(图1a, b)。相反,刚性的无机陶瓷电解质可以抵挡金属锂枝晶的刺穿,但是由于其与电极之间不充分的接触产生较大的界面电阻(图1c)。因此柔性聚合物电解质或者刚性无机陶瓷电解在固态金属锂电池中的单独使用存在困难,只有同时结合聚合物电解质与无机陶瓷电解质的优点才能同时满足正负极的需求,使得得到的固态金属锂电池同时具有低界面电阻和抑制锂枝晶生长的能力。具有非对称功能化层的固态电解质提升金属锂电池性能

图1. (a, b) 由聚合物电解质,(c)无机陶瓷电解质和(d)非对称固态电解质组装的固态金属锂电池。(C/E代表正极/电解质)

近期中科院化学所郭玉国课题组成功开发一种具有非对称结构的固态电解质(ASE)以同时满足正负极的需求。该固态电解质具有两个功能化层:(ⅰ)与金属锂负极侧接触的是一层被7.5nm的聚合物修饰的致密的Li7La3Zr2O12无机涂覆层,该致密层可以有效的抵挡金属锂枝晶的刺穿。(ⅱ)在正极侧是柔软的聚合物层,该聚合物层分布于正极的内部与表面,使得电极/电解质界面较好的连接在一起(图1d)。并且整个非对称固态电解质的厚度小于36 μm,极大的降低了固态电解质的厚度有望实现高能量密度的固态金属锂电池。

该非对称固态电解质表现出优异的对金属锂枝晶的抑制能力。组装的Li/ASE/Li电池在在3200小时内均表现出平坦稳定的电压平台(图2a)。并且循环后两侧的金属锂都保持了平整的形貌,无明显的枝晶产生(图2b-f)。

具有非对称功能化层的固态电解质提升金属锂电池性能

图2. (a)由该非对称电解质组装的对称电池Li/ASE/Li的极化电压-时间曲线。(b-d)对称电池循环3200小时后无机涂覆层侧金属锂的表面和截面形貌和(e-f)聚合物侧金属锂的表面形貌。(g)液态电解质组装的对称电池1750小时后金属锂表面形貌。

由该非对称电解质组装的全电池,具有较低的界面电阻(图3a),并且该全电池具有优异的长循环性能和高的库伦效率(大于99.8%)(图3b)。循环后的电池正极表面有一层较薄且均匀的聚合物以确保整个循环过程中较好的电极/电解质界面(图3c-e)。

具有非对称功能化层的固态电解质提升金属锂电池性能

图3. (a)Li/ASE/LFP电池在55 ℃的阻抗谱及(b)长循环性能。(c-e)循环后正极表面的聚合物形貌及成分分析。

参考文献

Hui Duan, Ya-Xia Yin, Yang Shi, Peng-Fei Wang,Xu-Dong Zhang, Chun-Peng Yang, Ji-Lei Shi, Rui Wen, Yu-Guo Guo, Li-Jun Wan,Dendrite-free Li-metal battery enabled by a thin asymmetric solid electrolyte with engineered layers, J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b10864.

 

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