聚合物基固态电池关键材料开发-周伟东_24页_6mb

聚合物固态电池关键材料开发总结

核心内容

聚合物固态电池是实现高安全、高能量密度电池的重要方向。本文围绕固态电解质材料的开发与优化，以及全固态电池的设计与制备，探讨了如何通过材料创新和结构调控提升电池性能。

主要观点

• 固态电池体系优势：相比传统液态电池，固态电池不含易燃液体，显著提高了安全性。同时，使用锂（合金）负极替代石墨负极，可提升能量密度。
• 固态聚合物电解质发展：固态聚合物电解质在离子扩散动力学、界面电化学稳定性和生产成本方面面临挑战，需通过分子结构调控、相界面重构和固态电解质回收等策略进行优化。
• 双层聚合物电解质设计：提出双层聚合物电解质概念，以扩大电化学窗口，高电压SPE接触正极，低电压SPE接触锂金属负极，同时采用原位钝化界面技术提高稳定性。
• 氟化聚草酸酯电解质：设计含F基团的聚草酸酯结构，实现对锂金属和高电压正极的界面稳定，形成LiF基复合SEI，有效抑制副反应。
• 聚合物结构与导离子率关系：揭示了聚合物分子链柔性、锂盐解离及螯合配位对导离子率的影响，通过结构调控提高离子传导性能。
• 原位固态化路线选择：比较双键自由基聚合与开环聚合两种路线，分析其在催化剂用量、聚合时间及界面稳定性方面的差异，优化聚合工艺。
• 高镍单晶正极材料制备：通过无熔盐脉冲高温法和晶粒生长抑制剂三段烧结法，实现高镍小单晶（SC-NCM90）的可控制备，提升正极材料性能。

关键信息

固态电解质发展策略

双层聚合物电解质

• 设计概念：通过双层结构扩大电化学窗口，高电压SPE接触正极，低电压SPE接触锂金属负极。
• 界面稳定性：采用原位钝化技术，提高与锂金属的界面稳定性。
• 研究成果：发表在Adv. Mater., 2019, 31, 1805574等期刊，具有高被引价值；同时获得中国专利授权。

氟化聚草酸酯电解质

• 结构设计：引入氟基团，增强与锂金属的界面稳定性。
• 性能提升：形成LiF基复合SEI，提高界面稳定性，抑制副反应。

聚酯类电解质系统分析

• 导离子率提升：聚合物分子链柔性增加，Tg降低；草酸酯、丙二酸酯与锂盐形成螯合配位，促进锂盐解离。
• 电化学窗口：拓宽电化学窗口，改善界面接触。
• 成本优势：成本低，有利于规模化应用，LiTFSI回收后成本进一步降低。

原位固态化路线选择

• 双键自由基聚合：适用于多种酯类单体，影响聚合条件、单体转化率及导离子率。
• 开环聚合：催化剂用量低，聚合时间可控，界面稳定性良好。
• 锂盐与碳黑影响：锂盐和碳黑对界面稳定性有促进或阻碍作用，需合理设计。

高镍单晶正极材料制备

• 制备方法：无熔盐脉冲高温法和晶粒生长抑制剂三段烧结法。
• 材料特性：颗粒形貌可控，实现500g级高镍小单晶（SC-NCM90）的制备。
• 应用潜力：提升正极材料性能，适配高电压体系。

全固态、高安全电池

通过上述材料与结构的优化，实现全固态电池的设计，提升电池的安全性与能量密度，为下一代高能量密度电池提供关键技术支撑。

致谢

感谢李玉良院士、张立群院士、邱介山教授、李泓研究员、李林教授、杨勇教授及Prof. John Goodenough在本研究中的支持与指导。

项目资助

• RECRUITMENT PROGRAM OF GLOBAL EXPERTS
• National Natural Science Foundation of China
• 北京自然科学基金委

联系方式

• 电话：1570 0 78
• 邮箱：zhouwd@mail.buct.edu.cn