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東北師大謝海明EEM:緩解高壓固態鋰金屬電池中的化學“串擾

東北師大謝海明EEM:緩解高壓固態鋰金屬電池中的化學“串擾
丁二腈(SN)基塑料晶體電解質(PCEs)因其優異的環境離子電導率、低可燃性和與高壓正極的良好相容性而出現在高能量密度鋰金屬電池中,但受到鋰負極固有不穩定性的阻礙。構建分級固態電解質(HSEs)結構是保護鋰負極免受SN攻擊的基本方法,其中基于SN的抗氧化層面向高壓正極,耐還原層與鋰負極接觸。然而,SN基電解質層中的自由SN分子可擴散穿過電解質/電解質界面,并在電池循環期間進一步到達鋰負極表面。這種化學“串擾”導致耐還原電解質層無法保護鋰負極免受游離SN分子的攻擊。
東北師范大學謝海明等設計了一種集成HSE-電極,其中基于SN的準固態電解質(slQSE)面向高壓NCM622正極,基于PEO的聚合物電解質(oPSE)與鋰負極接觸,優化的電極-電解質和電解質-電解質界面接觸是通過原位逐層流延和逐步聚合獲得的。
東北師大謝海明EEM:緩解高壓固態鋰金屬電池中的化學“串擾
圖1 集成HSE-電極的制備及表征
這項工作將納米Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)創造性地引入到基于SN的電解質層中,以解決SN分子的“串擾”問題。通過利用LLZTO中的La原子和SN中的N原子之間的絡合,自由的SN分子成功地固定在SN基電解質層中。
這樣既保證了電池循環過程中部分SN分子穿過正極孔,又防止游離SN分子擴散到鋰負極與鋰負極發生一系列寄生反應,最終產生了低電阻和高度耐用的固體電解質界面(SEI)和正極電解質界面(CEI)。
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圖2 對稱電池性能
研究顯示,Li|oPSE|slQSE|oPSE|Li電池在0.1 mA cm-2和 0.1 mA h cm-2下低電壓極化(60 mV)循環長達1400 小時,即使在50 oC和0.3 mA cm-2下,也可以穩定循環超過800小時,電壓響應約為+75 mV。基于這些優點,NCM622|slQSE|oPSE|Li電池顯示出163.3 mAh g-1的高初始放電容量和出色的長期循環,在50 oC下循環100次后容量保持率為96.0%。
NCM622|slQSE|oPSE|Li 固態軟包電池在0.24 mA cm-2的電流密度下也可提供0.135 Ah的高穩定放電容量,并且在100次循環后可保持100%的容量保持率。這項研究為PCEs在高壓固態鋰金屬電池(SSLMBs)中的實際應用提供了新思路。
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圖3 全電池性能
Unveiling and Alleviating Chemical “Crosstalk” of Succinonitrile Molecules in Hierarchical Electrolyte for High-Voltage Solid-State Lithium Metal Batteries. Energy & Environmental Materials 2022. DOI: 10.1002/eem2.12367

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