原位聚合直接集成固态锂电池介绍

随着社会的不断进步和人们生活质量的提高，锂电池在电子设备和电动汽车领域应用迅速增长，传统锂电池使用挥发性和易燃性的液态电解质使其安全问题频发，固态电解质（SSEs）的使用可显著提升电池安全问题。近年来SSEs研究取得较大进展，然而由于组成电极的多相接触使其内部固-固相间接触不良，导致电池能量密度、倍率性能及循环性能提升受限。

此外，传统电极中还需要添加导电剂和粘结剂，如果电极中的粘结剂将活性物质与导电剂隔离，则电子传输受阻，电池充电/放电性能恶化。  

近日，江西理工大学刘先斌、吴子平和华中科技大学夏宝玉教授团队通过1, 3-二氧戊环（DOL）的简单原位聚合，利用构建以碳纳米管（CNTs）网络固定活性物质电子导电框架，实现了具有互连电子和离子导电通道的高性能固态锂电池。



图1. 集成锂电池流程和SSE聚合机理。  

通过SSEs直接集成锂电池如图1所示。通过将正极、隔膜和负极用SSE紧密结合在一起。CNTs网络作为粘合剂、导电剂和集流体固定活性物质，活性物质载量在电极中可达30 mg cm-2。

由于CNTs固定的活性物质和SSE前驱体间良好润湿性，具有低粘度的液态前驱体迅速渗透到电极中，在SSE聚合后，整个电极内物质被直接固定集成，可实现电子/离子在连续致密的界面上传输。



图2. 复合集成电极的内部形态及电子离子传输性能  

极内活性颗粒被CNTs三维网络紧紧裹住，SSE包覆在CNTs网络结构外，形成了CNTs和SSE双包覆结构（图2）。因此，电子可通过CNTs的连接在活性物质间快速转移，离子可从致密的SSE骨架传递到活性物质表面。导电原子力显微镜（CAFM）对电极电导率进行了评估，集成后电极中颗粒相互连接，呈现出4.5 Ω sq-1的方块电阻，电极的锂离子扩散系数高于10-11 cm-2 s-1，从而显示出较好的电子和离子传输效果。



图3. 锂箔为负极时集成电池的性能  

通过该法以锂箔为负极组装的电池具有稳定循环性能，库伦效率达99.8%，具有2.3 mAh cm-2的面容量和242 Wh Kg-1的能量密度。获得的电池具有稳定的极化电压和低电荷传输阻抗，因而在10 C倍率下依然有99.6 mAh g-1的放电比容量，复合电极在负载19.4 mg cm-2 磷酸铁锂（LFP）时能保持很好的安全性能，即使在电池裁剪或针刺后依然能稳定工作。



图4. 复合集成电极组成和结构模拟分析  

为了理清电池优异电化学行为的原因，作者通过对集成的电极进行了微米级X射线计算机断层扫描（micro-CT）。结果表明，电极中CNTs、LFP和PDL体积分数分别为26.9 %、39.7 %和30.3 %，集成电极中的孔隙率仅为3.1 %，说明大多数孔隙和空隙被SSEs占据。通过COMSOL Multiphysics基于重建的三维图像也说明了其快速的电子和离子传输能力。

此外，作者还计算了DOL和三氟甲磺酸铝在CNTs和LFP吸附下发生聚合反应的能量变化。结果表明，有效的电子和离子传输是可能的，集成电极具有优异的电化学反应动力学。  

综上，该团队提出的构建具有互连导电界面的直接集成固态电池，可使CNTs、SSEs和活性物质间实现致密接触，减少电极内部复杂界面，提高电子和离子转移的效率。因此，获得了高能量密度、高倍率性能和长寿命且安全的锂电池，该工作为提高固态电池内部的电化学反应提供了一种新策略。 





审核编辑：刘清