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固態電池,近期七大科研突破!

2023-12-31推薦

1:廈門大學&南京林業大學EES:高效能微型矽-銀–固態碳復合陽極電池

廈門大學張橋保聯合南京林業大學的陳繼章、韓響團隊 ,設計了一種高度致密的銀納米粒子裝飾與多孔微米級矽,這是由薄層碳(PS-Ag-C)作為高效能陽極工作,提高SSB效能。

具體地,在界面處的機械應力,源自於Si的大體積變化,可以透過高度多孔的結構來減輕。同時,Ag納米顆粒、薄碳層和Ag-Li合金的引入可以實作Si內部連續的電荷轉移,從而提高了材料的高倍率效能和穩定的迴圈效能。此外,與具有低遷移率的聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)/Li1.3Al0.3Ti1.7(PO 4)3(LATP)SSE結合,形成流動域富LiF固體電解質界面(SEI),確保期望的界面和機械穩定性。

因此,所制備的PS-Ag-C陽極在0.2A g·cm-1下實作了3030.3mA h·g·cm-1的高可逆容量,初始庫侖效率為90%,在1A g·cm-1下分別在500次迴圈中實作了1600 mA h·g·cm-1。

特別是, 最高的面積容量達到4.0 mA h cm-2超過100次迴圈,在0.5 A g-1的矽基SSB與有機-無機復合SSE 。此外,用如此獲得的PS-Ag-C陽極和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM 811)陰極組裝的固態全電池顯示出高容量和期望的迴圈穩定性,本工作為開發高效能SSB的高容量和耐用的Si陽極提供了新的見解。

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2:EES:拓寬用於固態鋰金屬電池的固態離子導體選擇

來自 美國加州大學爾灣分校忻獲麟教授 團隊提出了一種新的固態電解質設計範式,即在兩個固態電子隔離層之間夾入陶瓷鋰離子導體,以允許更廣泛範圍的陶瓷鋰離子導體套用於固態鋰金屬電池,並解決陶瓷鋰離子導體的電子絕緣性和(電)化學穩定性要求的問題。

作者透過設計一種 固態電子隔離層 ,將聚合物UVEA薄膜與無機LICs(LATP,LVO和LTO)結合,以提高電池的壽命並降低安全風險。UVEA薄膜具有高室溫離子導電性、低電子導電性、寬電化學穩定視窗和相對較高的Li+傳輸數。它還具有良好的抗拉強度和彈性模量。將UVEA薄膜與LATP、LVO和LTO等無機LICs結合,可以改善基於LATP、LVO和LTO的三明治SSEs的整體離子導電性,從而實作更好的接觸和提供額外的離子傳輸途徑。

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3:復旦大學Nat. Mater.:聚合物序列結構調控以實作固態鋰電池

復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室的陳茂課題組 設計合成了 全新結構的單鋰離子導電含氟聚合物電解質 ,發現在交替的聚合物序列中精確定位設計的重復單元為均勻的Li+分布、非聚集的Li+-陰離子溶劑化和序列輔助的位點到位點離子遷移奠定了基礎,有助於將Li+電導率調節多達三個數量級。

組裝後的全固態電池有助於從環境溫度到高溫對鋰金屬進行可逆和樹枝晶減輕的迴圈。研究成果 證實可以用於下一代能源器材的高離子導電固態電解質的可行性。

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4:深圳大學Adv. Mater.:原位固化的固態聚合物電解質助力高效能固態鋰金屬電池

深圳大學朱才鎮特聘研究員和田雷特聘副研究員 提出了原位開環雜交交聯聚合物電解質(HCPE),具有卓越的離子導電性(30°C為2.22×10−3 S cm−1)、超高的Li+遷移數(0.88)和寬的電化學穩定視窗(5.2 V)。這些特性使得電池可以在1 mA cm−2條件下經過1000小時的高穩定性鋰剝離/沈積迴圈,並揭示出良好定義的界面穩定機制。

因此,HCPE賦予組裝的 固態鋰金屬電池優異的長周期效能 (在25°C,2 C下迴圈600次)和92.1%的優越容量保持率。更重要的是,研究者提出的不可燃HCPE為促進高安全性和高能量密度固態電池的實際套用開啟了新的前沿

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5:固態電池最新Nature!!! 一作已入職寧德時代

英國牛津大學Peter G. Bruce、T. James Marrow、 Charles W. Monroe教授課題組 基於對全固態電池枝晶過程的多尺度多手段表征與原位追蹤,提出了新的全固態電池枝晶理論,將全固態電池的枝晶短路過程分為引發和擴張兩個不同的階段,並分別建立了理論模型。

其中枝晶的引發產生於鋰在與Li/SE界面連通的近界面孔洞(缺陷)的沈積,在孔洞填滿後將鋰擠出的過程中,過大電流密度使得鋰作為粘塑流體的流動過程產生極大的內部應力,從而引發電解質碎裂。而鋰枝晶的擴張過程是一個鋰枝晶在沈積的動態過程中從枝晶裂紋的尾部將固態電解質楔開(wedge open)的過程。枝晶的引發取決於固態電解質晶界的局部斷裂強度、孔洞的尺寸、分布密度、及電流密度;而枝晶的擴張過程取決於固態電解質的宏觀斷裂韌性,枝晶在裂紋中的分布情況,電流密度,以及充電過程的面容量。

根據鋰金屬在枝晶引發階段與擴張階段力學環境的差異,引發與擴張階段對固態電池外部壓力的敏感性截然不同。只有較大的壓力才會大幅影響枝晶的引發過程,但枝晶的擴張過程卻對外部壓力非常敏感。降低外部壓力可以顯著抑制枝晶的擴張階段,即使在枝晶引發的狀態下也可以大幅延後固態電池的短路。

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6:黏彈性無機玻璃(VIGLAS)固體電解質

中科院物理研究所 在固態電池領域取得了重大突破,他們在能源領域頂級期刊【nature energy】中發表了一項關於新型黏彈性無機玻璃(VIGLAS)固體電解質的研究成果。

該團隊透過將 四氯鋁酸鹽(LiAlCl4和NaAlCl4) 中的部份氯原子替換為氧原子,成功將室溫下易碎的熔鹽轉化為具備類似於有機聚合物變形能力的黏彈性玻璃(LiAlCl2.5O0.75, LACO 和 NaAlCl2.5O0.75, NACO),這種材料在室溫下可以實作多次彎曲和折疊。這類固態電解質材料不僅具備有機聚合物優秀的變形能力,還繼承了傳統無機電解質的特點,如耐受高電壓(4.3V)和高離子電導率(>1 mS/cm)。這一優勢成功解決了固態電池正極界面在力學和化學上的穩定性難題,首次實作了真正室溫下無需外界壓力(< 0.1 MPa)即可正常執行的無機全固態鋰/鈉電池 。

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7:基於大氣等離子噴塗的鋰離子固態電解質薄膜制備方法

清華大學材料學院伍暉教授課題組 報道了基於大氣等離子噴塗(APS)的鋰離子固態電解質Li7La3Zr2O12(LLZO)薄膜制備方法。采用直接APS技術對Li7La3Zr2O12(LLZO)薄膜厚度從30~300µm的Li7La3Zr2O12進行後退火處理。電解液在室溫(25°C)下達到3.82×10−5Scm−1的高鋰離子電導率。

此外,厚度為300µm的LLZO薄膜的彎曲強度為157 MPa。Li/LLZO/Li和Li/LLZO/LiFePO4電池與薄膜一起組裝,均表現出穩定的迴圈效能。研究團隊提出的APS制備方法成本低且效率高,對於固態電解質薄膜的生產具有可延伸性。 最重要的是,這種工藝與當前的電池行業高度相容。

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文章來源:DT新型儲能與電池

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