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一种高安全性、精细可控、结构独特的超薄复合膜用于固态锂电池!

浏览: 发表时间:2020-12-31 13:05:07

来源:材料科学与工程

编辑推荐:本文报道了一种7.1μm厚的异质层Kevlar/共价有机框架(COF)复合膜,用于开发下一代锂基电池。强大的Li+导电的电解质膜,可防止固态电池在超过500小时的循环后短路。使用这种膜的全固态锂电池能够显著提高能量密度。

数十年来,与液态电解质和锂电镀/剥离过程中固有的枝晶生长相关的安全问题,阻碍了锂金属电池的实际应用。因此,先进固态锂金属电池为开发高度安全的电池提供了巨大的潜力。然而,目前制造厚度小于几十微米、同时具有高机械强度和离子导电性的实际可用的固态聚合物电解质(SSE)薄膜仍然具有挑战性。

华侨大学陈宏伟教授和南阳理工大学Derong Lu(共同通讯),提出了由层状聚合物和共价有机框架(COF)纳米片组成的独特异质层状结构的复合膜策略。相关论文以题为“Ultrathin Aramid/COF Heterolayered Membrane for Solid-State Li-Metal Batteries”发表在Nano Letters上。

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通过研究,组合膜是通过旋转LbL组件制造的,能够精确控制膜厚度。Kevlar组件在机械强度方面具有很好的结构优势,而分层的2D COF板提供了快速的Li+导电性,并且通过静电相互作用与Kevlar紧密互锁。这种多功能膜有望为未来高能量密度固态锂金属电池(SSLMBs)的发展开辟一条道路。

实验中,研究人员通过循环过程组装两个带电的组成块,其中阳离子COF层(图1b)和阴离子凯夫拉尔层(图1e)的不同构建块,通过旋涂(图1a,以下命名为L@K/C),按照顺序并重复地沉积在基底上。逐层旋转涂布(sLbL)组件允许在膜制造过程中形成分散良好的构造块,并且重要的是,获得的膜可以实现精确的结构和厚度(纳米到微米级)控制,这是使用现有制造技术难以实现的。20201231074700_4df6e8.jpg-orig

图1 (a)sLbL组装技术和独立的500-bilayer L@K/C膜的示意图。(b,c)阳离子COF的结构模型和相应的XRD图谱。(d)剥离的COF片的TEM图像和高度剖面图(从AFM获得)。交联凯夫拉尔的合成和交联网络的理想结构。(fh)L@K/C的SEM表征。(f)横截面的扫描电镜表征和相应的氮元素EDX映射。(g)薄膜表面的俯视图。(h)淬火断裂后断裂边缘的放大的SEM图像。箭头表示边缘的跨度。

实验最终得到的有序的L@K/C膜比两个单独的构件具有更好的离子电导率。在室温下,L@K/C膜、P-c-Kevlar膜和eCONs膜的电导率分别为1.62×10-4、1.78×10-5和6.02×10-5 S·m-1(图2a)。L@K/C膜的迁移数为大约为0.32。重要的是,得益于超薄的厚度,膜的实际比面积电阻仅约为4Ω cm220201231074701_5a3394.jpg-orig

图2 (a)P-C-Kevlar、eCON、有序L@K/C和无序L@K/C的电导率,(b)有序L@K/C和无序L@K/C的电导率与温度的函数关系。插图:不同结构的膜的示意图。(c)L@K/C膜结构优势示意图。(d)不同样品的应力-应变曲线。(e)SSEs的杨氏模量和内阻与文献的结果比较。20201231074702_66def7.jpg-orig

图3 (a)在室温下,以0.5 mA cm2的循环容量在充放电过程中对具有L@K/C膜的对称锂/锂电池进行长期循环。插图:第50和250次循环后的电压曲线、锂沉积形态和交流阻抗曲线。(b)制作纽扣电池的sLbL组装工艺示意图。(c)0.2C时,LFP/L@K/C/Li 和LFP/PEO-SiO2/Li的电压曲线。LFP/PEO-SiO2/Li电池在60下循环。(d)0.2C时的相应循环性能,(e)室温下,LFP/L@K/C/Li电池以不同速率循环。

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图4 在低(2 mg cm−2,绿色)和高(20 mg cm−2,红色)阴极负载下,具有三种不同SSEs的基于LFP的SSLMBs的重量和体积能量密度,包括LPF/LLZTO/Li,LPF/PEO-SiO2/Li,和LPF/L@K/C/Li。

总的来说,研究人员展示了一种基于异质分层结构的超薄(7.1微米厚)、超强和导电固态复合电解质新概念,用于高安全性固态低分子量物质。这种多功能膜为未来高能量密度锂电池应用过程中的安全问题提供了一种解决方案。

来源:mse_material 材料科学与工程

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA4NDk3ODEwNQ==&mid=2698835802&idx=4&sn=852549c911565004b7c0074f0cd7a351

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