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深圳大學(xué)田雷 AFM:用于高穩(wěn)定性固態(tài)鋰金屬電池的離子導(dǎo)電分子接枝可持續(xù)纖維素基準(zhǔn)固體復(fù)合電解質(zhì)
2024-05-10  來源:高分子科技

  目前,使用固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)電池代替液態(tài)電池是解決電動汽車等大型新能源裝置安全問題的有效途徑,但其仍存在諸多缺陷,嚴(yán)重阻礙了其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用,如機(jī)械強(qiáng)度低、離子電導(dǎo)率低、與電極之間的界面接觸問題等。纖維素基固體電解質(zhì)作為其典型代表,具有低成本、高強(qiáng)度和可持續(xù)性等特點(diǎn),它含有豐富的極性基團(tuán),如醚鍵,可以傳導(dǎo)鋰離子,并成為復(fù)合快速離子導(dǎo)體(如LATP)的潛在聚合物基質(zhì),在固態(tài)鋰金屬電池領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。但纖維素分子間由于大量的氫鍵相互作用,纖維素分子排列緊密,導(dǎo)致鋰離子的運(yùn)輸能力下降,嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步發(fā)展。


  近期深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院田雷/朱才鎮(zhèn)/徐堅(jiān)團(tuán)隊(duì)提出了一種離子導(dǎo)電分子接枝策略(1),該策略進(jìn)一步打開纖維素之間的離子傳遞通道,提高電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)能力和改善鋰電池中電解質(zhì)與正負(fù)極之間的界面性能,制備出具有高離子電導(dǎo)率和優(yōu)異室溫容量保持性能的CLA-CN-LATP準(zhǔn)固體復(fù)合電解質(zhì)(QCE)。該研究制備的CLA-CN-LATP QCE在室溫下的離子電導(dǎo)率可達(dá)1.25×10-3 S cm-1。制備的Li |CLA-CN-LATP|Li電池0.1 mA cm-2電流密度下,可保持低極化電壓和1200 h以上的鋰剝離/鍍循環(huán)。此外,組裝的LFP |CLA-CN-LATP QCE| Li在0.5C25℃條件下具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性,循環(huán)1500次,容量保持率高達(dá)92.1%。它為進(jìn)一步打開纖維素分子鏈之間的離子傳遞通道,改善電解質(zhì)與電極的界面性能提供了有效的策略。該工作以“Ion-Conducting Molecular-grafted Sustainable Cellulose Quasi-Solid Composite Electrolyte for High Stability Solid-state Lithium-Metal Batteries”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上,文章第一作者是深圳大學(xué)碩士研究生王瑞雪,通訊作者為深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院田雷副教授。


1 離子導(dǎo)電分子接枝策略打開醋酸纖維素之間離子傳遞通道的設(shè)計(jì)理念。


  為進(jìn)一步證明離子導(dǎo)電分子(C≡N小分子基團(tuán))接枝的作用,他們分別對CLA-CN-LATP QCE和CLA-LATP QCE組裝的電池測試進(jìn)行了一系列Li+傳輸性能測試,如不同溫度下電化學(xué)阻抗譜(EIS)、離子電導(dǎo)率和電化學(xué)窗口。結(jié)果表明LATP-CN-LATP QCE在室溫下的離子電導(dǎo)率可達(dá)1.25×10?3 S cm?1,而CLA-LATP QCE的離子電導(dǎo)率僅為3.42×10?4 S cm?1。CLA-LATP QCE的鋰離子遷移數(shù)(tLi+)由0.54增加到0.63,表現(xiàn)出更好的鋰離子遷移能力,從而提高了鋰電池的充放電效率和性能。此外,線性掃描伏安法(LSV)測得的曲線顯示,CLA-CN-LATP QCE (4.8 V)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口比CLA-LATP QCE (4.6 V)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口更寬,表明其在電化學(xué)反應(yīng)中具有更好的穩(wěn)定性和耐久性,在電化學(xué)反應(yīng)中更可靠。 


CLA-CN-LATP QCECLA-LATP QCE的Li+傳輸性能對比。(a) CLA-CN-LATP QCE和(b) CLA-LATP QCE在不同溫度下的阻抗圖;(c) CLA-CN-LATP QCE和CLA-LATP QCE的離子電導(dǎo)率Arrhenius擬合圖;(d) Li|CLA-CN-LATP QCE|Li電池和(e) Li|CLA-LATP QCE|Li電池的極化曲線及初始和穩(wěn)態(tài)阻抗圖;(f) CLA-CN-LATP QCE和CLA-LATP QCE的LSV測試曲線;(g) Li|CLA-CN-LATP QCE|Li電池和Li|CLA-LATP QCE|Li電池的Tafel圖;(h) CLA-CN-LATP QCE與其他材料的離子電導(dǎo)率對比圖。


  以LFP為正極,對CLA-CN-LATP QCE的鋰金屬電池電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行了評估。在0.2C時(shí),LFP|CLA-CN-LATP QCE|Li循環(huán)100次后容量保持率可高達(dá)99.2%,并且0.1、0.2、0.3、0.5和1C下的比放電容量分別達(dá)到163.2、157.4、151.6、142和117.3 mAh g?1。且在大電流密度循環(huán)后仍能以160 mAhg?1恢復(fù)到0.1 C,表現(xiàn)出良好的容量可逆性,值得注意的是,LFP|CLA-CN-LATP QCE|Li電池在0.5C和25℃下1500次循環(huán)后的容量保持率高達(dá)92.1%,具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。 


3 LFP|CLA-CN-LATP QCE|Li電池在不同電流密度下的循環(huán)性能和容量保持率。(a) LFP|CLA-CN-LATP QCE|Li和LFP|CLA-LATP QCE|Li在0.2C25℃下的循環(huán)性能;(b) LFP|CLA-CN-LATP QCE|Li和LFP|CLA-LATP QCE|Li在25℃不同電流密度下的充放電曲線;(c) 25℃下LFP|CLA-CN-LATP QCE|Li和LFP|CLA-LATP QCE|Li的不同電流密度倍率循環(huán)性能;(d) LFP|CLA-CN-LATP QCE|Li在0.5C和25℃下的充放電曲線;(e) LFP|CLA-CN-LATP QCE|Li、LFP|CLA-OCF3-LATP QCE|Li和LFP|CLA-COOC2H5-LATP QCE|Li在0.5C25℃下的循環(huán)性能;(f) LFP|CLA-CN-LATP QCE|Li袋狀電池LED面板照明安全性測試。


  文獻(xiàn)詳情

  Ruixue Wang, Weiliang Dong, Zhennuo Song, Jiji Tan, Qiang Liu, Kexin Mu, Weijian Xu, Haiyu Huang, Zhili Zhang, Gang Yin, Caizhen Zhu, Jian Xu, and Lei Tian*, Ion-Conducting Molecular-Grafted Sustainable Cellulose Quasi-Solid Composite Electrolyte for High Stability Solid-State Lithium-Metal Batteries.Adv. Funct. Mater.2024, 2402461.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202402461


作者簡介及招聘


  田雷,深圳大學(xué)副教授,深圳市海外高層次人才,F(xiàn)任《高分子通報(bào)》編委。主要從事功能高分子材料合成方法學(xué)與應(yīng)用研究,包括高分子設(shè)計(jì)合成、寬溫域高電導(dǎo)固態(tài)聚合物電解質(zhì)、高安全高能量密度固態(tài)聚合物電池以及高強(qiáng)高韌軟材料的設(shè)計(jì)制備與應(yīng)用等,主持或參與國家自然基金、省市重點(diǎn)項(xiàng)目等多項(xiàng),在Advanced materials、Angew. Chem. Int. Ed.,Advanced functional materials、Macromolecules等國際知名期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇。


  團(tuán)隊(duì)長期招聘博士后/研究助理。研究方向包括但不限于高分子合成、固態(tài)聚合物電解質(zhì)、計(jì)算化學(xué)等。
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