固态电解质与电极间界面相亲性

▲第一作者：赵磊           

通讯作者：冉奋          

通讯单位：兰州理工大学              

01   全文速览    

本文从电极与非液态电解质在界面处电化学反应的本质出发，阐明电极与非液态电解质界面相亲性的基本内容及其对电极电化学储能性能的影响机制。从2D到3D系统全面地评价构建相亲的电极/非液态电解质界面的设计思路、改性策略和研究进展。  

02   背景介绍    

近年来在合成具有高离子电导率的非液体电解质方面取得的进展使固态储能器件领域的研究重新焕发生机，并有望提供更安全的电化学储能系统。然而非液态电解质骨架的柔软性较差、流动性不好、甚至无流动性导致非液体电解质与电极间相亲性较差。这较差相亲的电极/电解质界面造成固态储能器件在充放电过程中电解质离子在电极/非液体电解质界面的迁移困难和分布不均。因此，相亲的电极/非液态电解质界面的构建是极其重要且迫切需要。近年来，构建相亲的电极/非液体电解质界面的改性策略被不断开发出来，并有效地克服了上述问题。尽管这一课题研究对加快非液态电解质的进展和固态储能器件的商业化产生很大的影响，但是仍然缺乏系统而全面的分析、讨论和总结。  

03   本文亮点    

i）从电极与非液态电解质在界面处电化学反应本质出发，阐明为何构建相亲的界面；

ii）从2D到3D系统全面的评价构建相亲性界面的改性策略和设计思路；

iii）提出兼顾其它因素的辩证性研究方法和从微观视角深入理解电极与非液态电解质间的相亲性。  

04   图文解析    

1、电极与非液态电解质界面相亲的原因

概述非液态电解质并说明各种非液态电解质与电极间可能存在的界面相亲性问题；分析阐明电极与非液态电解质间相亲性包含的基本内容（图1）；归纳总结电极与非液态电解质间界面相亲性发展的历史路线图（图2）；分析讨论电极与非液态电解质界面相亲性对电极和固态储能器件储能性能的影响；阐述可用于电极/非液态电解质界面相亲性研究的先进表征手段。

 

▲图1示意说明电极与非液态电解质界面相亲的状态  



▲图2 电极与非液态电解质相亲性发展的历史路线图  

2、2D相亲性界面的构建策略

相亲的电极/非液态电解质界面能有效提高电极及其储能器件的储能性能。但是电极与非液态电解质间界面的本征相亲性较差，尤其是电极与无机固态电解质间的界面（因为两种刚性固体材料会发生点接触）。为了在电极与非液态电解质间构建2D相亲的界面通常采用表面包覆（图3）、原位反应（图4）、表面处理（图5）、添加少量液态电解质（图6）等界面改性策略。  



▲图3 原位表面包覆无机离子导体构建2D相亲的电极/非液态电解质界面和电化学性能  



▲图4 原位反应形成高离子导电率中间层的热力学条件和制备方法  



▲图5 示意说明表面处理构建2D相亲的电极/无机固态电解质界面和电化学性能

 

▲图6 示意说明添加少量液态电解质在电极与无机固态电解质间构建2D相亲性界面和电化学性能  

3、3D相亲性界面的构建策略

尽管2D相亲的电极/非液体电解质界面的构建显著缓解了整块电极与非液体电解质膜间离子迁移和电化学反应的问题，但电极内部的电极活性物质仍然难以与电解质离子接触，因为电解质离子很难从非液体电解质框架中挣脱直接进入电极内部。因此，通过将离子导体引入电极内部（图7）、将电极活性物质引入非液体电解质（图8）和设计一体化储能器件（图9）可以构建电极与非液体电解质之间的3D相亲性界面。这种3D相亲性界面可以为电解质离子在电极内部传输提供连续快速的通路，使电极表面和电极内部的电极材料的表面都能与电解质离子发生有效的电化学相互作用。  



▲图7 通过引入离子导体进入电极中构建3D相亲的电极/非液态电解质界面

 

▲图8 通过引入电极材料进入非液态电解质中构建3D 相亲的电极/非液态电解质界面  



▲图9构建一体化固态储能器件  

05   总结与展望    

本文聚焦电极与非液态电解质界面相亲性。首先从非液态电解质的物化特征和电极电化学反应的本质出发，阐释电极与非液态电解质的界面相亲性的基本内容，并分析界面相亲性对电极的电化学储能性能的影响机制。然后，从2D 到3D系统而全面的评估构建相亲的电极/非液态电解质界面的设计思路、改性策略和研究进展。

最后期望研究者能够在发展新的改性策略、引用“双导网络”的概念、采用辩证的研究方法，微观视角的深入理解和可工业化生产这些方向开展电极/非液态电解质界面的相亲性研究。以此推动非液态电解质和固态储能器件的发展和商业化应用。   





审核编辑：刘清