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北化工周偉東Angew:它是高效聚合催化劑,也是全固態電解質的界面“潤滑劑”!

背景介紹

由于無機電解質與電極之間的界面接觸較差,會增加界面電阻,也會引發鋰枝晶成核,所以,固體聚合物電解質(SPE)對于下一代的全固態(ASS)電池來說變得越來越重要。為了進一步改善電極與電解質之間的接觸,原位聚合的SPEs被開發。聚合二氧戊環(P-DOL)是其中的代表。

基于P-DOL的準固態電解質在與LiFePO4的低壓正極相匹配時,具有較高的鋰離子電導率和良好的循環穩定性。然而,當升級到更安全的ASS電池,沒有任何液體時,有必要建立穩定的界面SEI層來抑制枝晶,改善界面固固接觸。例如使用MIEC(混合離子和電子導體)層,實現均勻的電場和鋰離子通量。

成果簡介

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北京化工大學周偉東(通訊作者)等人發現SnF2是一種在室溫下聚合DOL的高效催化劑。通過與鋰金屬的反應導致LiF和LixSn的形成,SnF2也是提高Li/P-DOL-SPE界面潤濕性、均勻界面鋰離子通量和電場、促進致密無枝晶鋰沉積的有效添加劑。SnF2聚合的P-DOL-SPE與使用無SnF2的P-DOL-SPE得到的鋰金屬相比,均勻沉積的鋰金屬的體積膨脹幅度要小得多。在ASS Li/P-DOL-SPE/LiFePO4電池中,在45℃下,達到了超過350圈的穩定循環。值得注意的是,雖然P-DOL-SPE在85℃時長期穩定,但在110℃時可觀察到P-DOL-SPE的嚴重降解。P-DOL-SPE的這種熱分解行為導致了軟包電池的大體積膨脹,對P-DOL基固態電解質的應用造成了嚴格的溫度限制。

圖文速遞

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圖1. P-DOL-SPE相關表征
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圖2. 基本電化學性能測試
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圖3.沉積鋰分析
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圖4.電化學測試結合有限元分析
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圖5.界面性質分析
分別收集并比較了LiF和Li5Sn2表面的三個和五個可能的鋰離子吸附位點。結果表明,在LiF(LiF-B)和Li5Sn2(Li5Sn2-a)中吸附最強的位點的吸附能分別為0.70 eV和2.10 eV。這表明Li5Sn2對鋰離子的吸引力明顯強于LiF。此外,計算出的鋰離子在LiF和Li5Sn2體相中的擴散能勢壘分別為0.48 eV和0.02 eV,這表明鋰離子在Li5Sn2中的擴散速度要快得多。因此,Li5Sn2不僅對鋰離子具有很強的吸引力,從而促進了鋰離子在其表面的親和,而且對鋰離子的擴散具有較低的勢壘。
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圖6.全固態電池性能測試

總結展望

綜上所述,SnF2不僅能催化DOL的聚合,而且還能生成基于LiF/LixSn的復合SEI。這種SEI有助于提高界面的潤濕性,均勻的界面電場和鋰離子通量,從而抑制枝晶和產生致密的鋰沉積。在45℃下,ASS Li/P-DOL-SPE/LFP的長期穩定循環性,驗證了重復沉積/剝離后的界面穩定性。

雖然達到了這些良好的電化學性能,但是P-DOL-SPE在110℃或40℃的真空溫度下容易快速熱分解,引起軟包電池的體積膨脹。因此,基于P-DOL的電解質只有在受限制的溫度窗口下才是安全的。

文獻信息

Increasing Current Density of Li-Mediated Ammonia Synthesis with High Surface Area Copper Electrodes. ACS Energy Letters,?2021, DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02104.

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02104.

作者簡介

北化工周偉東Angew:它是高效聚合催化劑,也是全固態電解質的界面“潤滑劑”!

周偉東教授,本科畢業于山東師范大學,于2010年在中科院化學研究所獲得博士學位,師從著名有機固體材料專家“中國科學院院士”李玉良先生。畢業后于2010-2013在康奈爾大學電化學專家“美國科學院院士Héctor D. Abru?a教授組從事基礎電化學的研究,2013-2014于美國通用汽車全球研發中心從事動力電池儲能材料的開發,2015-2016于德克薩斯大學奧斯汀分校“鋰電池之父”、諾貝獎獲得者Goodenough教授組從事高能正極材料和固體電解質的研究,2017于美國A123 Systems公司從事汽車動力電池的產品研發和電池安全的研究。周偉東教授2018年初入職北京化工大學,一直從事于基礎電化學、高密度儲能材料和固體電解質的研究,近5年來取得了一些列成果,其中包括JACS,Angew Chem, PNAS, Adv. Mat.,Adv. Energy Mat.,Adv. Functional Mat.,Nano Letter,等,他人引用超過4800次,H-index為38,并申請美國專利10項,獲批4項。
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