科技動(dòng)態(tài)

青島能源所硫化物全固態(tài)電池的干法制備取得進(jìn)展

撰稿: 青島生物能源與過(guò)程研究所 發(fā)布時(shí)間:2024-05-14

基于硫化物固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)二次電池被認為是最具潛力的下一代新能源體系之一,其中聚合物/硫化物復合薄層化電解質(zhì)的制備是該類(lèi)電池大幅提升能量密度和大規模生產(chǎn)的最關(guān)鍵技術(shù)之一。特別是干法制造技術(shù),因其環(huán)保、經(jīng)濟效益高、利于制備厚電極并規避有機溶劑等優(yōu)勢,受到廣泛青睞?,F今主要基于聚四氟乙烯(PTFE)粘結劑成纖化的主流無(wú)溶劑工藝存在粘結性不佳、機械性能差、界面電化學(xué)不穩定等劣勢。

近日,青島能源所固態(tài)能源系統技術(shù)中心在崔光磊研究員帶領(lǐng)下,董杉木研究員、胡磊博士等利用熔融黏結技術(shù),干法制備出具有出色柔韌性的超薄硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜,其優(yōu)異的力學(xué)性能、離子電導率以及應力耗散特性可有效抑制電池內部應力不均導致的機械力失效。該方法制備的高面載量LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2(NCM83)正極(活性材料≥50 mg/cm2)與多孔鋁集流體具有優(yōu)異粘結性,實(shí)現界面融合,有效規避傳統濕法正極容易產(chǎn)生裂紋問(wèn)題,制備出的一體化全固態(tài)電池具有優(yōu)異的界面穩定性、長(cháng)循環(huán)性能。研究成果以“Fusion Bonding Technique for Solvent-free Fabrication of All-solid-state Battery with Ultra-thin Sulfide Electrolyte”為題發(fā)表在A(yíng)dvanced Materials上,青島能源所崔光磊、董杉木為論文通訊作者,胡磊和博士生任鈺朗為共同第一作者。

圖1?硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜的照片和SEM展示以及SX-CT對應力耗散機制的解析

研究團隊針對目前干法制備過(guò)程中各組分分散不均問(wèn)題,提出低壓力制備的熔融粘結策略,在粘流態(tài)下將低粘度的熱塑性聚酰胺(TPA)與硫化物L(fēng)i6PS5Cl進(jìn)行預混,較低壓力下(≤ 5MPa)熱壓成型,誘導TPA在硫化物顆粒間隙滲透,構建聚合物逾滲網(wǎng)絡(luò ),實(shí)現超薄成膜(厚度≤ 25μm)的同時(shí),兼具優(yōu)異的柔韌性、熱塑性、可彎曲性、拉伸性和較高離子電導率(2.1 mS/cm)。使用同步輻射X射線(xiàn)斷層掃描(SX-CT)對循環(huán)過(guò)后的對稱(chēng)電池進(jìn)行觀(guān)測,發(fā)現該超薄膜能夠有效抑制循環(huán)過(guò)程中因電極體積膨脹帶來(lái)的界面分離和電解質(zhì)碎裂等問(wèn)題,保持界面穩定,證明在固態(tài)電解質(zhì)內部構建完整的聚合物逾滲網(wǎng)絡(luò ),不僅有利于其薄層化,更有利于耗散電池運行過(guò)程中的不均勻內應力,降低力機械失效風(fēng)險。

圖2?一體化硫化物全固態(tài)電池的長(cháng)循環(huán)性能

研究團隊以正極和薄層電解質(zhì)的界面熔融粘結為策略,制備出的一體化全固態(tài)電池,適配鋰銦負極,707次循環(huán)后容量保持率大于80%;適配純硅負極(μSi),478次循環(huán)后容量保持率大于80%,可循環(huán)2000次。在高負載NCM83(28.5 mg·cm-2)|| μSi全電池中,經(jīng)過(guò)9200小時(shí)、1400次循環(huán)后,其面容量保持大于2.5 mAh·cm-2,循環(huán)壽命超過(guò)10000小時(shí),進(jìn)一步提升NCM83載量到53.1 mg·cm-2,其能量密度超過(guò)390 Wh/kg,1020 Wh/L,高于目前文獻所報道的高鎳三元體系的硫化物全固態(tài)電池。研究團隊基于該策略分別組裝了Bipolar(5-8.5V)和高面載量(2.79 mAh/cm2)單片軟包二次電池,表明熔融黏結技術(shù)具有出色的實(shí)用性潛力,對硫化物全固態(tài)電池的商業(yè)化具有重要意義,為全固態(tài)電池未來(lái)科學(xué)研究和工藝技術(shù)發(fā)展提供有力參考。

原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202401909