【北京化工大学】2024聚合物基固态电池关键材料开发报告_24页_1mb

报告摘要

本研究聚焦于高安全、高能量密度的聚合物固态电池关键材料开发，旨在通过优化聚合物电解质结构与制备工艺，解决现有液态电池在安全性和能量密度方面的不足。研究内容涵盖固态电解质体系设计、材料性能分析、界面稳定性提升以及高镍单晶正极材料的制备，为下一代固态电池技术提供了理论与实践支持。

固态电池体系优势：
- 高安全性：固态电池不含易燃液体，有效降低热失控风险。
- 高能量密度：使用锂(合金)负极（>1500 mAh/g）替代传统石墨负极（372 mAh/g），显著提升能量密度。
- 宽电化学窗口：通过设计双层聚合物电解质，扩大电化学窗口，提高电池性能。
固态聚合物电解质发展：
- 聚合物电解质在完全无溶剂条件下，室温导离子率较低（<10⁻⁴ S/cm），但通过优化结构设计，可实现更高的离子导率（>10⁻³ S/cm）。
- 含氟基团的聚合物电解质（如氟化的聚草酸酯）能与锂金属原位形成LiF基复合SEI，提升界面稳定性，同时兼容高电压正极材料。
原位固态化路线选择：
- 对比了双键自由基聚合与开环聚合两种路线，分析了聚合条件、单体转化率、导离子率及界面稳定性之间的关系。
- 结果表明，含相同F链段的电解质在锂金属表面形成相似的保护层，但残留单体可能影响界面稳定性。
高镍单晶正极材料的制备：
- 采用无熔盐脉冲高温法和晶粒生长抑制剂辅助三段烧结法，成功制备出500g级高镍小单晶（SC-NCM90），具有良好的电化学性能。
- 颗粒形貌可控，有利于提升电池循环稳定性与能量密度。

双层电解质设计：
- 高电压SPE接触正极，低电压SPE接触锂金属负极，实现电化学窗口的扩展。
- 通过原位钝化界面技术，提升锂金属负极与电解质的界面稳定性。
氟化聚草酸酯结构：
- 新型结构设计，兼具高电压正极与低电压锂金属负极的兼容性。
- 含F基团的结构可与锂金属反应形成LiF基SEI，增强界面稳定性。