我校在納米纖維複合固態電解質方面研究取得進展
发布人:蔡军  发布时间:2021-10-11   浏览次数:10


日,我校紡織科學與工程學院2019級博士生高魯以第一作者在國際材料科學頂級期刊《Energy & Environmental Materials》(影響因子15.122)和《Energy Storage Materials》(影響因子17.789)分別發表題爲“Optimized CeO2 nanowires with rich surface oxygen vacancies enable fast Li-ion conduction in composite polymer electrolytes”“Core-shell structure nanofibers-ceramic nanowires based composite electrolytes with high Li transference number for high-performance all-solid-state lithium metal batteries”的文章,我校新型纖維與非織造材料創新團隊康衛民教授、鄧南平博士、美國德克薩斯大學奧斯汀分校李玉濤教授、中國礦業大學劉瑞平教授爲文章通訊作者。


  


近年來,隨著電動汽車、便攜式電子設備和智能電網等新能源技術的快速發展,人們對高安全、高能量密度的能源儲存系統的需求也在日益增加。全固態锂電池,因使用電化學穩定性好、熱穩定性優良的固態電解質替代液體電解質,可匹配锂金屬負極和高壓正極,被認爲是發展下一代高能量密度锂電池系統的必經之路。然而,作爲全固態锂電池的核心組件,兼具高室溫離子電導率和無锂枝晶生長的可商用固態電解質仍未取得突破。


  


固態電解質主要分爲聚合物電解質、無機電解質和有機無機複合電解質。有機無機複合電解質結合聚合物和無機的互補優勢,利用無機與聚合物相之間的協同作用獲得增強的離子導電性和穩定性。基于該思路下,從納米纖維的化學改性和結構設計角度出發,分別制備出具有豐富表面氧空位的無機陶瓷納米纖維和高锂離子遷移數的核殼結構電紡納米纖維,並將二者與PEO基聚合物電解質複合構建納米纖維複合全固態電解質。

該團隊采用靜電溶吹技術制備出具有大比表面積和豐富表面氧空位的钆(Gd)摻雜氧化铈(CeO2(GDC)納米線,然後將其引入PEO聚合物電解質,表面氧空位有助于提升GDC納米線與PEO聚合物電解質之間的相互作用,從而促進锂鹽離解並增加全固態複合電解質中載流子濃度,該複合電解質在30oC下具有5×10?4Scm?1的高锂離子電導率和0.47的锂離子遷移數,且與金屬锂負極和高壓LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC)正極具有優異的相容性,爲全固態電池在高電流密度下提供穩定的循環。相關工作以“Optimized CeO2 nanowires with rich surface oxygen vacancies enable fast Li-ion conduction in composite polymer electrolytes”爲題發表在《Energy & Environmental Materials》上。

在此基礎上,該團隊近一步開發了一種新型的具有核殼結構的聚偏二氟乙烯(PVDF-聚(環氧乙烷)(PEO)納米纖維和GDC陶瓷納米線共增強型複合電解質。所制備的核殼納米纖維中的芯層 PVDF 可以爲複合電解質提供強有力的機械支撐,同時殼層 PEO可爲锂離子提供三維(3D)有序的傳輸通道。此外,GDC陶瓷納米線的引入可以爲锂離子提供長距離有序的遷移通道。優化後的複合電解質在30℃時具有2.3×10?4Scm?1的高離子電導率、0.64的快速锂離子遷移數和高達10.8 MPa的高機械強度。此外,所組裝的锂對稱電池可以在0.10.20.4 mAhcm-2的不同容量下穩定循環,並且Li/NMC電池在0.5C條件下循環250次期間的庫侖效率始終保持在99.2%左右,爲全固態電解質的發展提供了新思路。相關成果以“Core-shell structure nanofibers-ceramic nanowires based composite electrolytes with high Li transference number for high-performance all-solid-state lithium metal batteries”爲題發表在《Energy Storage Materials》上。

我校新型纖維與非織造材料創新團隊長期從事納微米纖維制備技術與基礎應用研究,發明了樹枝狀納米纖維膜和氟化多孔碳納米纖維制備方法,開發了靜電溶吹無機陶瓷納米纖維制備技術,多項成果已轉化應用。本項研究得到國家自然科學基金(批准號51973157, 61904123),天津市科技計劃(19PTSYJC00010),天津市自然科學基金(18JCQNJC02900),天津市教委科研項目(2018KJ196)和中國博士後科學基金(2020T130469)資助。

 

論文鏈接:

1. L. Gao, N. Wu, N.P. Deng, J.X. Li, et al. Optimized CeO2 nanowires with rich surface oxygen vacancies enable fast Li-ion conduction in composite polymer electrolytes. Energy & Environmental Materials. (2021) DOI: 10.1002/eem2.12272.

2. L. Gao, S.B. Luo, J.X. Li, B.W. Cheng, et al. Core-shell structure nanofibers-ceramic nanowires based composite electrolytes with high Li transference number for high-performance all-solid-state lithium metal batteries. Energy Storage Materials. 43 (2021) 266-274.

(審稿:紡織科學與工程學院劉雍 編輯:宣傳部李煥峰)

圖片來源:紡織科學與工程學院