基于锂云母类二维材料的固态电解质的研究和设计

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可充电锂离子电池被认为是未来大规模应用中最有前途的储能装置之一,包括便携式电子设备、电动汽车和电网。然而,使用易燃液态电解质的传统锂离子电池可能会导致严重的安全问题,如电解液泄漏、热失控、燃烧和爆炸等。固态电池被认为是解决这些问题的最佳选择之一,消除了电解液泄漏带来的问题,提高了安全可靠性。此外,使用固态电解质(SSEs)可以获得更高的能量密度,特别是采用锂金属作为负极,它具有最高的理论容量(3861 m Ah g-1)和最低的电极电位(3.04 V vs.SHE)。采用固态电解质则能够利用锂金属作为负极,因为它可以有效抑制锂枝晶的形成,从而降低可能的短路、热失控、燃烧和爆炸等问题的可能性。二维层状材料不仅在锂离子电池中可以作为电极材料,而且在固态电解质领域也有其应用,这也显示出二维层状材料在离子传输方面的优越性。硅酸盐是一种具有二维层状结构的天然矿石,有文献报道将其作为复合聚合物电解质(CPEs)的添加剂,用于抑制聚合物电解质(如聚(环氧乙烷)(PEO))的结晶,从而促进锂离子的解离,提高离子电导率。然而,硅酸盐作为电解质的可能性尚未被研究。本文报道了以锂云母为例,对该类二维层状天然矿石进行可能的离子传输性能方面的研究。纯锂云母和复合锂云母(仅与PEO混合)均表现出中等的离子电导率,证明了锂云母固有的离子电导率。而在加入了一定量的LiClO4提升了聚合物的离子电导率后,锂云母-PEO-LiClO4的复合电解质体系体现出了优异的离子电导率,当锂云母的质量分数为43%时,离子电导率在60℃下达到了1.6×10-4 S cm-1。不仅如此,离子迁移数提升至0.72。这些结果将丰富固态电解质的材料体系,并引起二维层状硅酸盐对全固态锂离子电池和锂金属电池潜在应用的兴趣。PEO是最常用的固态电解质聚合物,但由于PEO在高压下容易氧化分解,不能用于高点压输出电池。PVDF作为电化学窗口宽,阻燃性好,热稳定性高的聚合物,被认为具有应用到固态电解质方向的潜力,但离子电导率一直较低,制约了其进一步应用。在此,我们报道了基于PVDF的CPEs,其在室温下的离子电导率为0.105 m S cm-1,在120℃下的离子电导率为1ms cm-1,电化学窗口宽,耐火性好。DMF增塑剂与二维层状锂云母填料的协同作用是其高离子导电性的主要原因。基于PVDF的CPEs在全固态锂金属电池中显示出巨大的潜力,具有良好的稳定性和速率性能。
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