近日，德國亥姆霍茲研究所Stefano Passerini教授與南洋理工大學Ze Xiang Shen教授（通訊作者） 在Nano Energy 期刊上發表題為“4-Volt Flexible All-Solid-State Lithium Polymer Batteries”的研究型論文。
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在這項工作中，作者報道了一種由4V級LiNi1-x Co0.2 Mnx O2 正極，鋰負極和PEO10 -LiTFSI-PYR14 TFSI2 三元固態聚合物電解質組成的柔性全固態金屬鋰聚合物電池。與LiNi0.4 Co0.2 Mn0.4 O2 相比，富鎳的LiNi0.6 Co0.2 Mn0.2 O2 正極復合材料表現出更穩定的循環性能和倍率性能。 ?
研究發現是由于其更均勻的顆粒分布使得電子和離子導電性提高，并且界面阻抗更小。作者通過系統的研究為4 V級富鎳NCM正極在實際鋰金屬聚合物電池中的應用提供了有效的理論基礎。
2. 聚合物電解質能夠實現全固態，柔性鋰金屬電池。
3. 鋰金屬聚合物電池具有較高的抗機械損傷性能。
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本文報道了以4 V級LiNi0.4 Co0.2 Mn0.4 O2 或LiNi0.6 Co0.2 Mn0.2 O2 為正極活性材料，交聯三元SPE(PEO10 -LiTFSI-PYR14 TFSI2 )為固態聚合物電解質，金屬鋰為負極的柔性全固態金屬鋰聚合物電池的研究。值得注意的是，即使在將電池彎曲成圓柱形并將其切割成幾個部分之后，軟包電池仍然可以為LED燈供電。 ?
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如圖a1-a5所示的光學圖像充分證明了自支撐NCM復合正極的韌性和彈性。掃描電鏡(SEM)顯示在低放大率下表明活性物質顆粒被很好地包裹到聚合物電解質基質中。 ?
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通過TGA和DSC測量研究了復合正極的熱性能。在N2 氣氛下，424和622復合電極顯示出非常相似的兩步分解趨勢。然而，424和622在N2 和O2 氣氛中都表現出相當高的熱穩定性，使得它們能夠通過熱擠壓進行生產。424和622復合電極都顯示非常相似的DSC曲線(圖c)，具有明顯的玻璃化轉變溫度(Tg)以及熔融和結晶峰。 ?
為了進行電化學性能測試，電池在3.0-4.3 V的電壓范圍內進行恒電流循環測試。兩種電池的初始庫侖效率相似，然而，隨著電流密度的增加，兩個電池都表現出容量的衰減，這是由于固態電解質中Li+ 擴散較差導致的高度極化。在倍率性能測試后，當兩種電池在循環回到0.1 C時都會有一些容量的損失。 ?
為了進一步研究電池的長期循環穩定性，采用424和622電極的電池在0.1 C和0.3 C下循環100圈。在0.1 C時，觀察到424電極在循環時出現嚴重的容量衰減，導致100次循環后僅保留了初始容量的23.6%。此外，622電池表現出更穩定的循環性能，容量保持率為63.9%。經過100次循環后622電極的容量為100.1 mAh g-1 ，遠遠高于424電極的容量(34.5 mAh g-1 )。622電極不僅提供了更高的容量，而且在100次循環后保留了69.2%的初始容量，從而實現了更好的循環穩定性。
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為了研究這種電池性能，對424和626正極組裝的電池進行了循環伏安測量。以相當低的掃描速率(0.04 mV s-1 )對電池進行50次伏安循環，并在每次循環后在放電狀態下測量它們的阻抗，以檢查循環時界面電阻的演變。從CV曲線可以看出，424電池出現了明顯的氧化還原峰位移。另一方面，622電池在循環時表現出非常高的可逆性。基于上圖呈現的EIS譜，注意到424和622電極都顯示出非常相似的阻抗響應。然而，622電極的Ri 在大約20個循環后穩定，之后保持相當恒定。另一方面，在整個測量過程中，424電極的Ri 不斷增加。因此，與622電極相比，424電極顯示出更高的界面電阻。
總之，采用富鎳NCM正極復合材料制備了柔性全固態鋰金屬聚合物電池。由于沒有有毒、易燃和揮發性液體有機電解質，固態電池極大地提高了電池的安全性。此外，它的柔韌性滿足了即將到來的智能電子設備的需求。
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通過對全鋰金屬聚合物電池的電化學性能的比較，揭示了錳在性能衰減中的可能作用機理。然而，盡管電池性能優于現有技術，但還需要進一步的研究才能使全固態柔性鋰聚合物電池達到所需的水平。
4-V flexible all-solid-state lithium polymer batteries. (Nano Energy ,2019,DOI: /10.1016/j.nanoen.2019.103986)
原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103986
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