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離子液體用于制備高性能鋰金屬電池用電解質(zhì)

2024-10-04 12:38:05 sh默尼 1

化石能源的過(guò)度消耗引發(fā)了一系列環(huán)境問(wèn)題,使得人們對(duì)可再生替代能源的關(guān)注進(jìn)一步增加。其中,鋰離子電池具備輸出電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),在電子器件、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著各種電子設(shè)備陸續(xù)出現(xiàn)和鋰資源的大量消耗,對(duì)高能量密度、安全性好且使用壽命長(zhǎng)的電池的需求與日俱增。


液態(tài)電解質(zhì)和石墨陽(yáng)極的商用鋰電池已經(jīng)達(dá)到了極限能量密度。鋰金屬電池(LMBs)使用鋰金屬作為陽(yáng)極,具有超高的極限能量密度,有望替代鋰離子電池。然而,液體電解質(zhì)中不可避免的鋰枝晶生長(zhǎng),容易導(dǎo)致短路和爆炸,也存在泄漏、揮發(fā)、燃燒等安全問(wèn)題。固態(tài)電解質(zhì)由于具有較高的介電常數(shù),以及較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性,成為替代液態(tài)電解質(zhì)的候選材料,可以大大提高LMBs的安全性和能量密度。在多種固態(tài)電解質(zhì)中,聚合物電解質(zhì)(SPEs)因重量輕、界面兼容性好、高靈活性、可加工性和低制造成本等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。聚環(huán)氧乙烷(PEO)是應(yīng)用最廣泛的SPE基體。但其應(yīng)用受到離子電導(dǎo)率低、Li+轉(zhuǎn)移數(shù)低和電化學(xué)穩(wěn)定窗口窄的限制。

為此,有研究者采用引入無(wú)機(jī)填料的方式提高離子電導(dǎo)率、良好的機(jī)械強(qiáng)度和高耐壓性。其中,活性填料的晶體結(jié)構(gòu)可以提供額外的Li+,Li+可以與聚合物基體結(jié)合,具有良好的柔韌性和可加工性,增強(qiáng)離子電導(dǎo)率。LiGaO2具有易于合成,原料豐富且價(jià)格低的優(yōu)勢(shì),是理想的活性填料。

基于上述考量,廣東工業(yè)大學(xué)許希軍、霍延平聯(lián)合廣州天賜高新材料股份有限公司趙經(jīng)緯等人將活性LiGaO2填料和離子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)亞胺鹽(AMIm-TFSI)結(jié)合構(gòu)建了一種LMB復(fù)合電解質(zhì)。由這種復(fù)合電解質(zhì)組成的LMBs具有良好的性能。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索,研究者確定各組分的最佳比例,PEO: LiTFSI: AMIm-TFSI: LiGaO2的最佳比例組成為7: 3.85: 2.8: 3,電解質(zhì)命名為PIL-CSE。60 °C條件下,最高的離子電導(dǎo)率為2.08×10-3S cm-1。PIL-CSE的活化能為0.34 eV
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