美国东北大学祝红丽课题组 EnSM：基于硫化物固态电解质的双极高压全固态电池- 大数跨境

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美国东北大学祝红丽课题组 EnSM：基于硫化物固态电解质的双极高压全固态电池

科学材料站

2022-03-27

导读：本文道了一种利用醚化纤维素-甲苯的体系制备自支撑正极、负极及电解质层的方法，然后通过简单的逐层叠加的方法

文章信息

基于硫化物固态电解质的双极高压全固态电池

第一作者：曹大显

通讯作者：祝红丽*

单位：美国东北大学

研究背景

当前对全固态电池的研究如火如荼，除了其超高的安全性外，普遍都认为其具有比使用液态电解液的普通锂离子电池更高的能量密度，其中一个最主要的原因是固态电池可以通过双极堆叠的方式，即在电池组中相邻电池共享相同的集流器和封装材料，降低非活性物质在整个电池组的占比，进而提高电池能量密度。

硫化物固态电解质，虽然具有与液态电解液媲美的导离子性，但当前对基于硫化物电解质的双极全固态电池鲜有报道，已有的相关工作也缺乏电化学循环性能的支撑，这主要原因是缺少可靠的正极、负极、以及电解质层，可以同时满足高机械强度、高性能、厚度可控等要求。

文章简介

本文中，美国东北大学的祝红丽教授课题组，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Bipolar Stackings High Voltage and High Cell Level Energy Density Sulfide based All-Solid-State Batteries”的研究文章。

报道了一种利用醚化纤维素-甲苯的体系制备自支撑正极、负极及电解质层的方法，然后通过简单的逐层叠加的方法，得到了基于硫化物固态电解质的双极全固态电池，整个电池组具有8.2V的电压和基于整个电池（包含集流器）的高达204 Wh kg^-1的能量密度，相比之下，单个电池只有189 Wh kg^-1 的能量密度，凸显了双极固态电池的优势。

本文要点

要点一：自支撑正极层的制备和表征

一种单晶的NMC811被选取做正极材料，其表面通过湿化学方法制备了一层Li₂SiO_x来稳定与硫化物电解质的界面。将正极材料与1wt.%的醚化纤维素分散在甲苯的溶液中，醚化纤维素有助于正极材料的均匀分散，然后通过抽滤得到了自支撑的正极薄膜，其厚度可以通过调整分散液体积和浓度来控制，大小可以通过调整抽滤装置来调控。得到的正极薄膜具有可加工级别的机械强度，在半电池测试中表现出优异的电化学性能。

要点二：自支撑负极层的制备和表征

负极采用了一种基于硅纳米颗粒的复合材料。将负极材料与醚化纤维素分散在甲苯溶液中，类似的通过抽滤的方式，便得到了具有良好机械强度厚度均匀可控的负极薄膜。在半电池中，同样表现出优异的电化学性能。

要点三：单个全电池的制备和表征

将制得的正极、负极、以及电解质薄膜，切成要求的大小，然后简单的逐层叠加起来，再通过施加轴向的压力，便得到了单个的全固态电池。其中为了防止正负极内部接触短路，电解质的面积略大于两边电极材料。

要点四：双极全固态电池的制备和表征

将制得的单个全电池串联叠加起来，便得到了双极全固态电池。其中相邻的电池的正极和负极分享同一个集流器。具有10µm厚度的不锈钢箔由于其在正负极的高稳定性被选做集流器。由两个电池串联的双极全固态电池得到了高达8.2 V的电压，并且稳定循环30次。

要点五：双极全固态电池的能量密度优势

双极全固态电池的能量密度会随着堆叠电池的数量增加而增高，当前工作中双极全固态电池表现出204 Wh kg^-1的电池级能量密度（包括集流器），而单个电池的能量密度则为189 Wh kg^-1，当堆叠电池数量增加，双极堆叠电池的能量密度远高于普通堆叠的电池能量密度。

文章链接

Bipolar stackings high voltage and high cell level energy density sulfide based all-solid-state batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829722001489?via%3Dihub

通讯作者简介

祝红丽教授

祝红丽教授就职于美国东北大学（Northeastern University）机械与工业工程系。她的研究方向专注于能源（全固态电池和液流电池）、生物质材料和先进制造等。从2012年到2015年，她在马里兰大学做博士后研究，致力于纳米纸柔性电子器件和能源的研究。从2009年到2011年，她在瑞典皇家理工学院进行材料科学及天然木材可降解和可再生生物质材料的研究。目前她的google scholar引用率13780余次，H因子58.

课题组主页：

https://coe.northeastern.edu/Research/hongli_group/index.html