固化離子液體配線加強的高導開框架氟化電解質(zhì)用于固態(tài)鋰金屬電池
二次電池是現(xiàn)代和未來大規(guī)模智能電網(wǎng)、電動汽車和軍用電源不可或缺的儲能元件，當前的鋰離子電池面臨著能量密度無法滿足電化學儲能需求，以及有機電解液可燃和泄漏致使存在安全隱患等諸多問題。鋰金屬電池具有更高的能量密度，但面臨著鋰負極枝晶生長等問題。固態(tài)鋰金屬電池由于能量密度和安全性的雙重潛在優(yōu)勢，是下一代電化學儲能體系的研究熱點。作為關鍵組分的固態(tài)電解質(zhì)的性能優(yōu)劣很大程度上決定了固態(tài)電池能否成功運行。傳統(tǒng)的氧化物和硫化物固態(tài)電解質(zhì)面臨著晶界電阻大、界面易鈍化、空氣中不穩(wěn)定以及電化學窗口窄等問題，因此開發(fā)新型固態(tài)電解質(zhì)的結構原型作為當前電解質(zhì)體系的候選甚至替代者，具有迫切而重要的意義。
氟系固態(tài)電解質(zhì)具有電化學窗口寬（理論預測）、空氣穩(wěn)定性好、阻燃性好、鋰枝晶抑制潛力佳、機械加工性能好等優(yōu)勢，然而卻面臨著室溫電導率偏低（室溫下為10-6-10-7 S/cm）、成熟的合成方案缺乏等問題。近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領的研究團隊在氟基固態(tài)電解質(zhì)方面取得進展，開發(fā)出一種納米復合結構的開框架富鋰相氟基固態(tài)電解質(zhì)Li3GaF6，并實現(xiàn)了對固態(tài)電池的成功驅(qū)動，相關成果發(fā)表在國際能源/材料類期刊Energy Storage Mater., 2020, 28, 37-46.上。
該團隊之前分析總結了鹵化策略在固態(tài)電池和鋰金屬電池研究中的獨特優(yōu)勢（Energy Storage Mater.,14,100-117,2018），針對SEI層中LiF體相導電率低的問題，他們從離子液體中合成富鋰相的冰晶石衍生物Li3AlF6（室溫電導率高達~10-5 S/cm）作為固態(tài)電解質(zhì)添加劑，成功改善了SEI層的組分，抑制了鋰枝晶生長（ACS Appl. Mater. Interfaces,10,34322-34331,2018）。在此基礎上，團隊繼續(xù)采用低溫離子液體氟化的低能耗合成策略，成功制備了納米復合結構的富鋰氟化物固態(tài)電解質(zhì)Li3GaF6，其特征表現(xiàn)為結構內(nèi)部具有開放性的離子通道，而且晶粒邊界具有離子液體修飾。在電解質(zhì)片中，離子液體被固化成納米絮狀物，并作為原位粘合劑粘合周圍的納米粒子和整個電解質(zhì)薄片，阻止電解質(zhì)片在電化學循環(huán)過程中的粉化和碎裂（特別在和電極的接觸界面處）。得益于界面處離子輸運的增強，優(yōu)化的Li3GaF6實現(xiàn)了氟系固體電解質(zhì)的離子電導率的最高記錄（室溫下接近10-4 S/cm）。固態(tài)Li/Li3GaF6/LiFePO4電池在1 C高倍率下可成功運行至少150次循環(huán)。這項研究為氟化固態(tài)電解質(zhì)的結構解析、納米調(diào)控以及界面改性等方面提供了重要的科學素材，為固態(tài)電池的激活提供了新的思路。
相關研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等的資助和支持。
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