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      寧波材料所在復合固體電解質離子遷移機制方面取得重要進展
      作者:,日期:2021-04-23

        相對傳統的液態電解質鋰離子電池,采用固體材料作為電解質的全固態電池具有更高的能量密度和安全性。其中以聚合物固態電解質為基體、無機固態電解質為填料所制備的復合固態電解質,具有良好的電極-電解質界面接觸,以及較高的離子電導率,是近年來的研究熱點。理解復合固體電解質中電荷遷移及其結構演變是設計高性能固體電解質的關鍵之一。

        中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室沈彩副研究員在前期(ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 25441-25447;Small Methods 2018, 2, 1700298; Journal of Microscopy, 2020, 1, 49-57;Nano Energy,2021, 83, 105847)工作基礎上,采用鋰鑭鋯氧(LLZO)無機固態顆粒和聚氧化乙烯(PEO)聚合物基體,制備了不同LLZO含量(0 wt.%、50 wt.%、75 wt.%)的LLZO-PEO復合固態電解質,采用峰值力導電原子力顯微鏡,研究了溫度和LLZO含量對該復合固態電解質中離子遷移的影響。研究表明,當溫度低于PEO的玻璃化溫度轉變點(Tg)時,PEO基體為鏈狀的結晶態,LLZO顆粒的加入使得LLZO與PEO的界面處形成了PEO非晶區,從而降低了PEO的結晶度和玻璃化轉變溫度。結合微區定量納米力學測量技術,發現隨著溫度的升高,該電解質的楊氏模量降低,粘附力升高。溫度低于玻璃化轉變溫度Tg時,無論LLZO含量如何,鋰離子都只能沿非晶態的PEO進行遷移;溫度高于Tg時,當加入少量LLZO顆粒時,鋰離子主要沿非晶區PEO進行遷移,隨著LLZO含量(75 wt.%)的增加,LLZO顆粒在PEO基體中形成連續的離子導電網絡,鋰離子可以在高溫下通過LLZO顆粒進行遷移。在所制備的電解質中,離子遷移電流高于電子電流三個數量級,占主導地位。其中PEO區域的電子電流遠大于LLZO顆粒,說明LLZO顆粒的加入可以提高復合電解質的電子絕緣性能。由于LLZO具有較高的模量和優異的絕緣性能,因此LLZO顆粒的加入有望抑制金屬鋰負極中鋰枝晶的生長。

        該工作在有機固體電解質玻璃化轉變狀態下直觀地揭示了無機填料含量和工作溫度對復合固態電解質性能的影響,對鋰離子電池固態電解質的設計和開發具有重要的指導意義。研究結果發表在Energy Storage Materials 2021,https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.028。沈彩副研究員為論文第一/通訊作者,黃云博為共同第一作者,劉兆平研究員為共同通訊作者。

        以上工作得到了國家重點研發計劃(2016YFB0100106)、國家自然科學基金(U2032126)、浙江省自然科學基金-臺州聯合基金(LTY20B030001)等項目支持。

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