鋰離子電池是當今電池世界的霸主，隨著對能量密度越來越高的要求，采用金屬鋰負極成為大勢所趨，而金屬鋰負極進一步增加了電池安全風險。解決電池安全性能的重要任務，就這樣落到了全固態鋰電池的肩上。

 

      為了獲得與基于液體電解質的鋰電池相當的能量密度，固體電解質需要具有高離子電導率、力學強度好、不可燃、化學穩定性等特性。然而，用于液體電解質的商業聚合物電解質隔板厚度僅有10 μm左右，如果采用如此薄的固體電解質勢必會極大地增加電池短路的風險。

 

      有鑒于此，斯坦福大學崔屹課題組設計了一種全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物復合固體電解質，可以確保全固態鋰離子電池的安全性能。

圖1. 聚合物-聚合物 SPE設計

 

       要點1：設計理念

 

       復合固態電解質必須由堅固、不易燃的主體制成，采用具有垂直排列的納米通道和鋰離子導電SPE填料。高模量主體防止枝晶滲透，而對齊的通道增強SPE填料的離子導電性。復合電解質的超薄和聚合物-聚合物性能使得全電池具有極大的柔韌性，低電解質電阻和潛在的高能量密度。研究團隊采用高模量的納米多孔聚酰亞胺（PI）主體和PEO /鋰雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺（LiTFSI）聚合物電解質進行概念驗證，這種PI / PEO / LiTFSI固體電解質中，超薄多孔PI基質厚度僅8.6 μm。

 

圖2. PEO/LiTFSI表征   

       要點2：優異性能

 

       雖然商業鋰離子電池的理論能量密度接近480 Wh kg-1，但是當在計算中考慮金屬殼體，正負極集流器時，理論值減少一半。如果進一步考慮隔板和液體電解質時，能量密度理論值還要進一步降低。然而，當使用PI / PEO / LiTFSI電解質（246 Wh kg-1）時，全固態電池的能量密度與液體電解質電池的能量密度相當，并且遠高于其他的電解質電池。

 

       全固態電池中超薄超輕的PI / PEO / LiTFSI（1.12 mg cm-2）具有與隔膜/液體電解質（1 mg cm-2）相似的面積密度，確保其優于其他固體電解質系統。由于全固態LIB的電池外殼可能比液體電解質LIB更簡單，所以固體聚合物-聚合物復合材料LIB的能量密度可能會更高。進一步，通過高容量鋰化學，例如硫和金屬鋰，可以實現更高的能量密度。

圖3. 全電池性能

 

       由于PI膜不易燃，力學強度高，即使經過1000多小時的循環，也可持續防止電池短路，保證安全性。垂直通道可提高注入的離子電導率（30°C時為2.3×10-4 S cm-1），基于PI / PEO / LiTFSI固體電解質制造的全固態鋰離子電池在60°C時具有良好的循環性能（C / 2速率下200次循環），并可承受彎曲，切割和釘子穿透等測試。

圖4. PI/PEO/LiTFSI力學測試和耐火測試

圖5. PI/PEO/LiTFSI濫用測試

 

       小 結

 

       總之，這項研究設計了一種超薄、柔性、安全的聚合物復合固體電解質，為發展更安全、更高效的全固態鋰離子電池起到重要推動和良好的借鑒。

 

       參考文獻：
 

       JiayuWan, Jin Xie, Yi Cui et al. Ultrathin, flexible, solid polymer compositeelectrolyte enabled with aligned nanoporous host for lithium batteries. NatureNanotechnology 2019.