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        【原創(chuàng)】大勢所趨的聚合物復合固態(tài)電解質(zhì)-對話訪談中科院青能所鞠江偉博士


        來源:中國粉體網(wǎng)   長安

        [導讀]  為了深入了解固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展狀況,中國粉體網(wǎng)邀請到了中國科學院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心的鞠江偉博士做客對話訪談,聊聊其課題組首創(chuàng)的“剛?cè)岵本酆衔飶秃瞎虘B(tài)電解質(zhì)。

        中國粉體網(wǎng)訊  目前為止,研究較多的固態(tài)電解質(zhì)有3類:氧化物固態(tài)電解質(zhì)、硫化物固態(tài)電解質(zhì)、聚合物固態(tài)電解質(zhì)。


        氧化物固態(tài)電解質(zhì)離子導電率適中,剪切模量高,電化學窗口寬,對空氣穩(wěn)定,但是部分氧化物與電極接觸時會發(fā)生副反應(yīng)。


        硫化物固態(tài)電解質(zhì)因其高電導率(如Li10GeP2S12,離子電導率達到了10-2S/cm,甚至超越了液態(tài)電解液)而廣受研究者的關(guān)注,但是空氣環(huán)境中易生成有毒的H2S氣體,此外,電化學/化學穩(wěn)定性、與電極材料的兼容性、成本等方面也存在挑戰(zhàn)。


        聚合物固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)量輕,易形成彈性良好的薄膜,但是其離子電導率低、機械性能差,不能匹配高壓正極材料。


        為了深入了解固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展狀況,中國粉體網(wǎng)邀請到了中國科學院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心的鞠江偉博士做客對話訪談,聊聊其課題組首創(chuàng)的“剛?cè)岵本酆衔飶秃瞎虘B(tài)電解質(zhì)。





        中國科學院青島生物能源與過程研究所


        固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心


        由該所研究員崔光磊于2009年組建


        歷經(jīng)11年科研攻關(guān)


        在國際上首創(chuàng)“剛?cè)岵本酆衔飶秃瞎虘B(tài)電解質(zhì)


        秉承“功(率)能(量)兼?zhèn)洹钡南到y(tǒng)設(shè)計理念


        開發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高比能


        高安全、高耐深海壓、長使役壽命的


        固態(tài)鋰電池及深海特種電源系統(tǒng)



        粉體網(wǎng):請問鞠博士,目前您及您的課題組的研究方向主要有哪些方面?


        鞠博士:固態(tài)鋰電池是我們實驗室最主要的研究方向,圍繞這一研究方向,我們具體進行:


        (1)固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計開發(fā),包括硫化物、氧化物、聚合物及復合電解質(zhì);


        (2)電極-電解質(zhì)固-固界面優(yōu)化,包括固-固界面的接觸優(yōu)化、正負極與電解質(zhì)界面相容性優(yōu)化;


        (3)具有特定功能材料的開發(fā),例如耐氧化、耐還原硫化物電解質(zhì)材料,兼顧離子、電子電導及儲鋰能力的硫化物材料。


        除固態(tài)鋰電池外,我們實驗室在低成本固態(tài)鈉離子電池、固態(tài)鋅離子等方向有多年的研究積累并取得了較好的研究進展。



        粉體網(wǎng):基于目前氧化物、硫化物、聚合物固態(tài)電解質(zhì),您覺得復合固態(tài)電解質(zhì)會是未來的趨勢嗎?


        鞠博士:是的,復合固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)是大勢所趨。因為單一電解質(zhì)各有利弊,唯有復合才能取長補短。像氧化物、硫化物電解質(zhì)雖然電導率高,但是質(zhì)地硬脆,不易工程化操作且與電極固固接觸相容性差;而聚合物電解質(zhì)室溫電導率低,但柔軟、易加工。因而二者復合之后的電解質(zhì)兼顧了電導率、固固界面相容性和可加工性的優(yōu)勢。例如聚環(huán)氧乙烷與氧化物的復合電解質(zhì),聚四氟乙烯與硫化物的復合電解質(zhì)的優(yōu)異性能都顯示出復合電解質(zhì)未來商業(yè)化的潛力。我們實驗室開發(fā)的具有“三相滲流”結(jié)構(gòu)特征的硫化物-聚合物復合電解質(zhì)室溫下Li+電導率高于3mS/cm,其Li+輸運能力可媲美甚至超過商用電解液。



        粉體網(wǎng):能講一下您在固態(tài)電解質(zhì)固-固界面問題方面做了哪些改善嗎?


        鞠博士:我們已從三個方面成功改善了固態(tài)電池中的固-固界面相容性,


        (1)固固界面接觸


        我們采用原位聚合的策略,將溶有鋰鹽和引發(fā)劑的聚合物單體溶液注入電芯中,在一定條件下,如加熱,引發(fā)聚合物單體聚合。由于單體溶液具有很好的流動性和浸潤性,因此他們可以填充固固界面之間的孔隙,保證了固固界面的緊密接觸。


        (2)高電壓正極


        針對硫化物基固態(tài)電池復合正極中高電壓氧化物正極與硫化物電解質(zhì)的界面反應(yīng)問題,我們通過對正極材料表面包覆如BaTiO3、LiZrPO4等材料,實現(xiàn)了二者Li+化學式差之間的順利過渡,抑制了二者之間的(電)化學反應(yīng)。


        (3)硫化物電解質(zhì)


        同樣針對上述問題,從硫化物電解質(zhì)的角度出發(fā),根據(jù)路易斯酸堿理論設(shè)計了新型耐氧化的硫化物電解質(zhì)材料,從本質(zhì)上抑制了二者之間的反應(yīng)。



        粉體網(wǎng):你們課題組所研究的“剛?cè)岵钡膹秃暇酆衔锕虘B(tài)電解質(zhì)電池目前體積能量密度可以做到多少?如何提高能量密度?


        鞠博士:固態(tài)體積能量密度已超過1000Wh/L。質(zhì)量能量密度達到520Wh/Kg。


        目前我們從三個方面提升電池的能量密度:


        (1)電解質(zhì)方面


        基于高電導率的硫化物電解質(zhì)和新型粘結(jié)劑,通過干法策略開發(fā)超薄的“剛?cè)岵睆秃瞎虘B(tài)電解質(zhì)薄膜,減小電解質(zhì)占比;


        (2)負極方面


        目前主要開展無負極和高容量微(納)米硅負極的設(shè)計開發(fā),從而減小負極占比;


        (3)正極方面


        我們正與山東豐元化學股份有限公司合作開發(fā)高容量四元和無鈷正極材料,并通過正極表面包覆,結(jié)合我們開發(fā)的高電導率耐氧化硫化物電解質(zhì)材料,提高了活性物質(zhì)在復合正極中的占比,增大了正極的厚度,提高了電池中正極的占比,并實現(xiàn)了固態(tài)電池在高面載下的容量正常發(fā)揮,室溫0.1C下達到8mAh/cm2;0.2C下7mAh/cm2



        粉體網(wǎng):你們課題組所研究的“剛?cè)岵钡膹秃暇酆衔锕虘B(tài)電解質(zhì)電池除了之前深海探測領(lǐng)域的應(yīng)用,有沒有布局新能源汽車的考量?


        鞠博士:我們一直在積極布局新能源汽車。為此,我們牽頭了“十三五”期間國家重點研發(fā)計劃——新能源汽車專項——高比能固態(tài)鋰電池技術(shù)并已順利結(jié)題;谠擁椖恐苽涞摹皠?cè)岵钡膹秃暇酆衔锕虘B(tài)電解質(zhì)電池單體能量密度達到350Wh/kg,成功實現(xiàn)了裝車示范。

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        作者:長安

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