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上科大劉巍教授課題組在全固態(tài)鋰電池固體聚合物電解質(zhì)研究中取得突破
2020-09-15  來源:上海科技大學(xué)

  隨著電動汽車以及各種電子產(chǎn)品對于高能量密度的安全儲能設(shè)備的需求不斷增長,全固態(tài)鋰電池受到了極大的關(guān)注。傳統(tǒng)的鋰離子電池系統(tǒng)由于使用了易燃的有機電解液,其安全性一直以來都是人們關(guān)注的焦點,而固態(tài)電解質(zhì)憑借其固有的熱穩(wěn)定性以及兼容高能量密度鋰金屬負極的特性,被認為有希望取代傳統(tǒng)的液態(tài)電解液。然而全固態(tài)鋰電池仍存在不少挑戰(zhàn),固態(tài)電解質(zhì)和電極之間固固接觸所形成的高界面阻抗仍是限制其實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。此外,由于電極中較長的離子擴散路徑,全固態(tài)鋰電池的活性物質(zhì)負載通常較低(<1 mg cm-2),該值遠小于目前商用鋰離子電池鈷酸鋰正極的12 mg cm-2和石墨負極的6 mg cm-2。


  近日,上?萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院劉巍教授課題組在高性能全固態(tài)鋰電池的固體聚合物電解質(zhì)方面取得重要進展。他們突破傳統(tǒng)制備方法,利用立體光固化成型(SLA)3D打印技術(shù),以聚乙二醇二丙烯酸酯為聚合物基體原料,3D打印出一種具有三維表面結(jié)構(gòu)的聚合物固態(tài)電解質(zhì)。由于構(gòu)建出3D電解質(zhì)-電極界面,使界面處的比表面積增大了95%,顯著優(yōu)化了電極與聚合物固態(tài)電解質(zhì)之間的界面接觸,大大降低了界面阻抗,并且能將正極活性物質(zhì)負載提高到5 mg cm-2一較高的水平,以此提升全固態(tài)鋰電池的性能。SLA3D打印技術(shù)為高性能的全固態(tài)鋰電池提供了新的研究途徑,有希望應(yīng)用于下一代的能量存儲領(lǐng)域。


  具有三維表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì)以及由其組裝的全固態(tài)鋰電池的示意圖。三維表面結(jié)構(gòu)可提供更大的比表面積,從而改善電解質(zhì)與電極之間的界面接觸,并縮短了鋰離子從電解質(zhì)到電極的傳輸路徑,以此增加活性物質(zhì)的負載。


  目前該成果以Stereolithography 3D Printing Solid Polymer Electrolytes for All-Solid-State Lithium-Metal Batteries 為題,在國際知名學(xué)術(shù)期刊Nano Letters上發(fā)表。上海科技大學(xué)為該成果的唯一完成單位,上?萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院2019級研究生何英杰為該論文的第一作者,劉巍教授為通訊作者。該項工作受到了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、上科大啟動經(jīng)費等支持,同時感謝上科大物質(zhì)學(xué)院電鏡中心的支持。


  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02457

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