新加坡国立|郑光远教授课题组Adv Sci：高性能全固态锂硫电池用导热二维氮化硼- 大数跨境

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新加坡国立|郑光远教授课题组Adv Sci：高性能全固态锂硫电池用导热二维氮化硼

科学材料站

2020-09-02

导读：在本文，通过加入2D氮化硼（BN）纳米片，开发出一种具有改善热响应的聚氧化乙烯基电解质。结果表明，BN添加剂还提高了电解液的离子性能和机械性能。锂/锂电池可实现更均匀的锂/硫还原反应。

文章信息

高性能全固态锂硫电池用导热二维氮化硼

第一作者：Xuesong Yin

通讯作者：郑光远*

单位：新加坡国立大学

研究背景

具有高容量电极材料的全固态电池为结合高能量密度和先进安全特性的下一代电池提供了一条有前途的路线。具有高离子导电性和电子绝缘性的固态电解质被认为是全固态电池的关键组成部分更换易燃液体电解液和分离器。

聚氧化乙烯（PEO）基电解质因其在高温下具有良好的离子导电性，与不同电极材料具有良好的界面特性，在固态锂电池中得到了广泛的应用，并且与规模化生产工艺具有良好的兼容性。PEO基电解质的一个常见缺点是要求在高温下工作，因为它们在室温（RT）下的离子导电性有限。通过共聚、聚合物等方法解决了这一问题混合、加入无机填料（包括锂离子导体和绝缘体）。

此外，由于PEO基电解质的离子导电性与温度高度相关，电解液中的热变化会导致电极中的不均匀反应。这会显著影响锂沉积并导致枝晶形成。因此，提高聚合物电解质的热均匀性对于大容量全固态电池的性能至关重要。然而，PEO基电解液的这种热特性尚未得到很好的研究。

在这里，作者使用二维氮化硼（BN）来改善PEO基聚合物电解质的热均匀性，并在全固态锂硫（Li–S）电池中展示其优异的性能。结果表明，快速热活化对提高锂反应的均匀性和循环稳定性具有重要意义。

文章简介

近日，新加坡国立大学郑光远教授等人在国际顶级期刊Advanced Science上发表题为“Thermal Conductive 2D Boron Nitride for High‐Performance All‐Solid‐State Lithium–Sulfur Batteries”的研究工作。

本文使用改良的CVD方法在由Co，N修饰的多孔碳纤维（CCF @ SnS @ G）支撑的SnS纳米片阵列的表面上直接生长类似石墨烯的碳膜。在本文，通过加入2D氮化硼（BN）纳米片，开发出一种具有改善热响应的聚氧化乙烯基电解质。结果表明，BN添加剂还提高了电解液的离子性能和机械性能。锂/锂电池可实现更均匀的锂/硫还原反应。

该文章第一作者为Xuesong Yin

新加坡国立大学郑光远教授为本文通讯作者

要点简析

要点一：含BN添加剂的固态聚合物电解质的合理设计

图1.

a）含聚合物基电解质的固态Li-S电池的图示以及通过含和不含BN添加剂的电解质的热传递的示意图比较;

b）由2D BN薄片和PEO-PVDF混合聚合物组成的复合电解质示意图 LiTFSI。

要点二：BN-PEO-PVDF和PEO-PVDF电解质的表征。

图2.

a）PEO-PVDF和b）BN-PEO-PVDF电解质膜的SEM和光学图像。

c）离子电导率相对于温度的变化（logσvs 1 / T），

d）DSC曲线

e）在PEO-PVDF和BN的加载和卸载测试期间，加载力（P）与压痕位移（h）的关系 -PEO-PVDF电解质

f）电流密度为0.1 mA cm-2的PEO-PVDF和BN-PEO-PVDF电解质对Li0对称电池的恒电流循环

g）循环后在对称电池中沉积的Li金属的SEM图像。

比例尺：（a）和（b）中为10 µm，（g）中为1 µm。

要点三：PEO-PVDF和BN-PEO-PVDF电解质的热响应。

图3.

a）PEO-PVDF和BN-PEO-PVDF电解质的热扩散率（α），热容（c）和热导率（κ）。

b）以红外图像为特征的PEO-PVDF和BN-PEO-PVDF膜相对于加热时间的温度变化。

c）温度从RT更改为70°C时PEO-PVDF和BN-PEO-PVDF的离子电导率的变化。

d）用PEO-PVDF和BN-PEO-PVDF电解质制成的Li-Cu电池草图，以及在1 mA cm-2下沉积2 mAh cm-2的Li后，Li盘和Cu箔表面的Li金属的SEM图像。

e）由于PEO-PVDF和BN-PEO-PVDF电解质中的热点导致的模拟电流密度（J）变化：模型的示意图，在t = 0.5时热源附近的J的变化（模型中的平方面积） s（请参见图S5和视频S1，支持信息）和沿垂直于电极表面的法线（z）和平行（r）方向的标准化J分布（请参见图S6，支持信息）。比例尺：（b）1厘米，（d）10微米。

结论

聚偏二氟乙烯-聚偏二氟乙烯（PVDF-BN）固体电解质与聚偏二氟乙烯（PVDF-BN）固体电解质混合而成。除了改善离子和机械性能外，BN添加剂还可促进PEO基电解质的热响应。它使BN-PEO-PVDF电解液中的热变化更快地均衡，离子传输更加均匀。

结果表明，在Li-S电池与BN-PEO-PVDF电解液的电化学反应中，Li金属负极和S正极都表现出更加均匀和稳定的转变。采用BN-PEO-PVDF电解液的电池还具有高比容量、良好的循环性能和速率特性。本工作为改善聚合物电解质的热特性提供了一种有效的方法，并阐述了其对全固态锂硫电池微观电化学反应和器件性能的重要影响。。

文章链接

Thermal Conductive 2D Boron Nitride for High‐Performance All‐Solid‐State Lithium–Sulfur Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001303

通讯作者介绍

郑光远教授

郑光远教授本科毕业于英国剑桥大学，博士毕业于美国斯坦福大学。研究领域是面向锂离子电池、锂金属电池以及锂硫电池的纳米结构设计以及储能器件开发。前后在国际学术期刊上发表论文50多篇，包括以第一作者以及通讯作者发表的Nature Nanotechnology, Nature Communication, JACS, Nano Letters, Energy & Environmental Science, ACS Nano等，论文被引用超过10000多次，H因子为40. 其研究成果被The Economist, Forbes, CNBC, Wired Magazine, ABC News, Scientific American, The Atlantic, Science Daily等专题报道。郑博士对锂电池的研究也让他入选2014 年的《世界科技奖》提名，以及2018年麻省理工科技评论亚洲35岁以下创新者获奖者。郑博士是美国材料研究学会研究生奖的获得者，同时也是新加坡A * STAR的国家科学奖学金得主。

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