【优博微展2017】周栋:新型固态聚合物电解质的制备及其在锂电池中的应用研究

清华大学研究生教育2021-10-12 16:17:29


周栋:2017年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者


新型固态聚合物电解质的制备及其在锂电池中的应用研究


The Synthesis of Advanced Solid Polymer Electrolytes and Their Applications in Lithium Batteries


作    者:周栋

指导教师:康飞宇 教授

培养院系:材料学院

学    科:材料科学与工程

读博感言:勤于规划并养成习惯,便可避免时间对意志力的消磨


研究背景/选题意义/研究价值


储能设备是现代人类社会的关键技术。锂离子二次电池具有工作电压高、循环寿命长、环境污染小等诸多优点,成为应用极为普遍的绿色化学电源。新一代高比能量锂电池是未来储能器件的发展方向,而高能量密度锂电池因使用有机电解液而存在易漏液、着火、爆炸等一系列安全隐患,提升电池安全性的有效途径之一是使用固态聚合物电解质取代传统有机电解液。然而,制备出兼具高离子电导率、低电极/电解质界面阻抗、良好机械强度的固态聚合物电解质材料仍是现阶段巨大的技术挑战。因此,开发针对高能量密度锂电池体系的新型固态聚合物电解质,有望同时大幅提升现有锂电池的能量密度和安全保障,具有重要的现实意义和科研价值。


主要研究内容


首先,探明了腈乙基取代聚乙烯醇(PVA-CN)基凝胶聚合物电解质的凝胶机理,进而通过改进化成工艺构建了低阻抗的石墨电极/凝胶聚合物电解质界面。在此基础上将PVA-CN在丁二腈基全固态电解质中原位聚合,并填充于聚丙烯腈基电纺纤维膜中制得层次结构腈类全固态电解质(SEN)。腈类原材料之间的结构相容性及层次结构设计使得所制备的SEN膜具有优异的综合性能,原位合成方法则使电极与SEN之间保持良好的粘附性,明显降低了界面阻抗并使得聚合物电池呈现出良好的电化学性能。


第二,将二缩三丙二醇二丙烯酸酯单体溶于碳酸酯基电解液配得前躯体溶液,再将该前躯体溶液吸入SiO2空心纳米球层后原位聚合而制得一种新型SiO2空心纳米球基复合固态电解质(SiSE),并将其应用于锂金属电池。由于稳定、低阻抗的电极/固态电解质界面和SiSE对锂枝晶生长的显著抑制作用,使用SiSE的固态锂金属电池表现出优越的循环性能和安全性。


第三,针对锂化硅-硫全电池中纳米锂化硅颗粒的高比表面积加剧穿梭效应导致电池性能恶化的问题,将含有氟代碳酸乙烯酯的醚类电解液吸入SiO2空心纳米球层制得准固态电解质(OSE)。FEC可有效优化硅颗粒表面固体电解质界面膜,而SiO2球表面丰富的介孔结构则可吸附多硫化物限制穿梭效应,使锂化硅-硫全电池的循环性能得到明显改善,并在短路条件下保持结构无损。


最后,基于离子液体/聚离子液体不可燃的特性,采用原位方法设计了一种高安全性层次结构聚离子液体基固态电解质。该电解质同时具备高离子电导率,低电极/电解质界面阻抗和良好的机械强度,在锂离子和钠离子电池中均表现出优越的电化学性能。


层次结构腈类全固态聚合物电解质(SEN)的制备示意图


SiO2空心纳米球基复合固态电解质(SiSE)的制备示意图


主要创新点


1、发现了含腈基树脂阳离子聚合反应的新机理,以此设计制备了两种新型腈基固态聚合物电解质,扩展了腈类材料在锂离子电池固态电解质中的应用;


2、将空心纳米氧化硅与有机成分复合制备成高性能准固态聚合物电解质,成功抑制了锂金属电池循环过程中的枝晶生长,并使锂化硅-硫电池实现大幅改性;


3、首次将聚离子液体材料的应用从锂离子电池扩展到钠离子电池,为新型储能器件的发展提供了有益的尝试。


代表性学术发表


1、Zhou D.†, Liu R.†, Zhang J., Qi X., He Y. B., Li B., Yang Q. H., Hu Y. S., Kang F. In situ synthesis of hierarchical poly(ionic liquid)-based solid electrolytes for high-safety lithium-ion and sodium-ion batteries. NanoEnergy, 33 (2017) 45-54.


2、Zhou D.†, Liu M.†, Yun Q., Wang X., He Y. B., Li B., Yang Q. H., Kang F. A novel silicon-sulfur lithium-ion battery exploiting an optimized solid-like electrolyte to enhance safety and cycle life. Small, 13 (2017) 1602015.


3、Zhou D.†, Liu R.†, He Y. B., Li F., Liu M., Li B., Yang Q. H., Cai Q., Kang F. SiO2 hollow nanosphere-based composite solid electrolyte for lithium metal batteries to suppress lithium dendrite growth and enhance cycle life. Advanced Energy Materials, 6 (2016) 1502214.


4、 Liu M.†, Zhou D.†, He Y. B., Fu Y., Qin X., Miao C., Du H., Li B., Yang Q. H., Lin Z., Zhao T. S., Kang F. Novel gel polymer electrolyte for high-performance lithium–sulfur batteries. NanoEnergy, 22 (2016) 278-289.


5、Zhou D., He Y. B., Liu R., Liu M., Du H., Li B., Cai Q., Yang Q. H., Kang F. In situ synthesis of a hierarchical all-solid-state electrolyte based on nitrile materials for high-performance lithium-ion batteries. Advanced Energy Materials, 5 (2015) 1500353.


6、Zhou D.†, He Y. B.†, Cai Q., Qin X., Li B., Du H., Yang Q. H., Kang F. Investigation of cyanoresin-based gel polymer electrolyte: in situ gelation mechanism and electrode–electrolyte interfacial fabrication in lithium-ion battery. Journal of Materials Chemistry A, 2 (2014) 20059-20066.

† 共同第一作者。



编辑:清华大学研究生院  周明坤  严颖巧