华中科技大学郭新团队JMCA: 高迁移数复合电解质用于高倍率、高稳定性锂金属电池- 大数跨境

首页

华中科技大学郭新团队JMCA: 高迁移数复合电解质用于高倍率、高稳定性锂金属电池

科学材料站

2021-08-11

导读：该文章报道了一种α-LiAlO2@γ-Al2O3复合纳米片作为PVDF基电解质填料，该纳米片对阴离子具有高吸附能，实现了对阴离子的锚定。

文章信息

高迁移数复合电解质用于高倍率、高稳定性锂金属电池

第一作者：周晓燕

通讯作者：郭新*，杨辉*

单位：华中科技大学

研究背景

可稳定快充/快放的高能量密度的锂离子电池对于电动车和可移动设备的发展至关重要，然而，电池的极化问题，包括欧姆极化、电荷转移极化和浓差极化等，对电池循环寿命和电池容量极为有害。

其中，电池在循环过程中，由于阴离子有相较Li+更快的扩散速率，会形成与电池电压相反的过电势，严重损害电池的功率传输并促进枝晶的生长（尤其在高倍率下）。通过增加锂离子迁移数，浓差极化可以在很大程度上得到抑制。

文章简介

基于此，华中科技大学的郭新教授团队与杨辉教授团队合作，在国际知名期刊Journal of Chemistry A上发表题为“Hybrid Electrolytes with Ultrahigh Li-Ion Transference Number for Lithium-Metal Batteries with Fast and Stable Charge/Discharge Capability”的文章。

该文章报道了一种α-LiAlO2@γ-Al2O3复合纳米片作为PVDF基电解质填料，该纳米片对阴离子具有高吸附能，实现了对阴离子的锚定。最终，电解质获得了0.85 mS cm-1的室温离子电导率，以及0.92的离子迁移数。高迁移数有利于减小浓差极化，促进锂离子的均匀沉积并且能够抑制枝晶生长。

最终，Li||Li对称电池能在0.5 mA cm-2的电流密度下稳定循环1000 h。而且，NCA||Li及LFP||Li电池也实现了在高倍率下的稳定循环。

本文要点

要点一：合成了一种多孔α-LiAlO2@γ-Al2O3 (LAO)复合纳米片，该纳米片被用做复合电解质填料

所合成的纳米片为复合多孔纳米片，具有厚度薄和比表面积大的特点（121 m2/g），可为阴离子的吸附提供位点。将LAO与PVDF-HFP混合，可以得到表面光滑均一、热稳定性及柔性好的薄膜。

图1. LAO纳米片及LAO-PVDF膜的结构及形貌特性

要点二：复合电解质具有高离子电导率和高Li+迁移数，理论计算证明了LAO纳米片对阴离子的吸附能力

对电解质中LAO填料的含量进行调节，5% LAO-PVDF电解质表现出高的室温离子电导率（0.85 mS cm-1）和高迁移数（0.92），超过了商用电解液和大多数复合电解质。Raman和FTIR及Zeta电位测试均表明LAO纳米片具有吸附电解液中阴离子的能力。

密度泛函理论(DFT)计算表明，LAO对阴离子具有高吸附能，从而有能力锚定阴离子，实现高的Li+迁移数。该电解质对包括PF6-、TFSI-、ClO4-在内的阴离子表现出强吸附能力，使得相关电解质的离子迁移数分别达到0.92、0.86和0.63。

图2. LAO-PVDF的离子传输性能

要点三：Li||Li对称电池展现出稳定的锂沉积/剥离行为

Cu||Li 电池用于观察电解质的Li沉积行为。相较于Cu|LE|Li电池，Li|5% LAO-PVDF|Cu电池具有较小的成核(μnuc)和平台(μpla)过电势，因此，其具有更为优秀的电化学动力学。沉积完成后，Cu表面Li沉积形貌更加致密和均匀，无枝晶产生。

Li|5% LAO-PVDF |Li对称电池在超过1000 h的时间内表现出稳定的沉积/剥离行为，表明其抑制枝晶生长的能力。

图片3. LAO-PVDF电解质的Li沉积/剥离行为

要点四：浓差极化被抑制，LFP||Li及NCA||Li电池展现出优秀的倍率性能和循环性能

得益于此，NCA|5% LAO-PVDF|Li在1 C的倍率稳定循环200圈后，容量保持率为83%；LFP|5% LAO-PVDF|Li在2 C的高倍率稳定循环2000圈后，容量保持率为88%。

图片4. 使用电解液及5% LAO-PVDF的锂金属电池性能对比

文章链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta04631d/unauth

通讯作者介绍

郭新，guojia特聘专家，华中科技大学材料学院二级教授。

中国固态离子学会理事，国际期刊“Solid State Ionics”编委，国际固态离子学会（International Society for Solid State Ionics）学术奖评审委员。回国前任德国于利希研究中心（Research Center Juelich）终身高级研究员，之前，他曾在德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）从事研究工作多年。2005年获美国陶瓷协会Ross Coffin Purdy Award。2012年全职回国后创建了“固态离子学实验室”，其研究领域可概括为“固态离子导体与混合导体及其在能源、信息与环境等领域的应用”，具体研究领域有: 1.固体电解质及固态电池，2.类脑器件与脑启发式人工智能，3.气敏传感器及人工嗅觉，4.功能器件的3D打印。

实验室主页：

http://www.hust-ssi.cn/

杨辉，华中科技大学航空航天学院教授。

2006年获华中科技大学工程力学学士学位，2010年和2014年先后在美国宾夕法尼亚州立大学获得工程力学硕士学位和工程科学与力学博士学位。2015年1月至2017年9月分别于美国宾夕法尼亚州立大学、美国西北大学、塔夫茨大学从事博士后研究工作。在固体力学、材料动力学、材料本构理论、电化学等方面取得了一批创新性成果，在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Nature Communications、等期刊发表论文20多篇，文章引用超过1100次。

第一作者介绍

周晓燕博士

现于华中科技大学材料学院攻读博士学位，导师是郭新教授，研究方向为用于固态电池的新型电解质材料，迄今为止以第一作者和合作作者身份发表超过6篇SCI论文。