现代工学院何平周豪慎:弹性固态电解质实现零外压固态电池

发布者:沈允育发布时间:2024-03-15浏览次数:366

随着大规模储能领域的繁荣发展,传统基于有机电解液的锂离子电池已无法满足市场对高能量密度电池的需求。在这一背景下,固态电池因其更高的理论能量密度和更好的安全性而受到广泛关注。然而,目前固态电池的运行仍需依靠很大的外加压力(达几十甚至几百兆帕),以保证固态电极内部及其与固态电解质界面的接触,这大大提高了固态电池的成本,阻碍了固态电池的实际应用。针对这一问题,南京大学现代工程与应用科学学院何平教授、周豪慎教授设计了一种基于双单体共聚物和深共晶混合物的弹性电解质,将其应用在固态电池中,实现了在零外加压力、而仅依靠电池内建压力条件下固态电池的稳定运行。该弹性电解质具有高室温离子电导率(2×10-3 S cm-1)、良好的拉伸和压缩弹性、抗疲劳性、

可燃性和自我修复能力。在电池循环的过程中,尽管活性物质会发生体积膨胀和收缩,但受益于该电解质良好的应变恢复能力和抗疲劳性,它仍可以紧密包裹在活性物质周围,既充当快速离子输运通道,又缓解了由于电极材料体积变化造成的应力集中问题,保证了固态电池在无外加压力长循环过程中的电化学和界面力学稳定性(图1)。

1固态电池失效机理及其解决方案示意图。(a)-(c) 使用无机固态电解质的固态电池循环后电极粉化,离子输运受阻。施加高外加压力可缓解这一问题,但大大降低了电池的能量密度并增加了成本。(d)-(e) 具有高离子电导率的弹性电解质填充多孔电极并包裹活性材料,实现电极内部稳定高效的离子传输。

为了测量电池的内建压力,我们利用薄膜压力敏感电阻设计并自制了膜式压力传感器,测量得到扣式电池和软包电池的内建压力分别为546 kPa52 kPa,远小于常规施加在固态电池上的外加压力。此外,为促进弹性电解质在微米硅(μm-Si)电极中的渗透,我们在电极中引入了微量的表面活性剂,成功在电极中构筑了连续的离子传输通道。在不施加外加压力、仅依靠扣式电池内建应力的情况下,使用该弹性电解质的微米硅||锂金属(μm-Si||Li)电池可以稳定循环300圈(图2a);磷酸铁锂||锂金属(LiFePO4||Li)电池可逆比容量达147.4mAh g-1,且可稳定循环400圈(图2b);LiFePO4||μm-Si全电池可循环150圈(图2c),且软包电池在剪切、弯折情况下仍可正常工作(图2d-e)。

2使用弹性电解质的固态电池在零外加压力、仅依靠电池内建应力情况下的电化学性能。(a) μm-Si||Li电池;(b) LiFePO4||Li电池;(c) LiFePO4||μm-Si全电池的长循环稳定性;(d) LiFePO4||μm-Si软包电池剪切、弯折实验;(e) LiFePO4||μm-Si软包电池充放电曲线。

相关工作以A solid-state lithium-ion battery with micron-sized silicon anode operating free from external pressure”为题,于2024313日在Nature Communications上在线发表(https://doi.org/10.1038/s41467-024-46472-9)。我校现代工学院何平教授与周豪慎教授为论文通讯作者,该院2021级博士生潘慧为该论文的第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金、江苏省研究生科研与实践创新计划等项目的资助,同时也得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室和南京大学储能材料与技术中心等单位的支持。