電動車和手機的下一代鋰電池將會選擇能量密度更高和安全性更好的全固態(tài)鋰離子電池。我們國家為了加速新材料和全固態(tài)鋰離子電池研發(fā)，十三五器件首次設(shè)立的“材料基因組技術(shù)”的國家重點研發(fā)計劃，并且希望通過材料基因組的高通量計算、合成、檢測及數(shù)據(jù)庫（大數(shù)據(jù)的機器學習和智能分析）的新理念和新技術(shù)加速全固態(tài)鋰離子電池的研發(fā)，設(shè)立了“基于材料基因組技術(shù)的全固態(tài)電池研發(fā)”的國家重點專項，該重點專項由北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授作為首席科學家牽頭組織十一家單位共同承擔。該項目研發(fā)重要的部分包括新型固態(tài)電解質(zhì)及固態(tài)電池材料各界面調(diào)控的研發(fā)。固態(tài)電解質(zhì)主要分為無機固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)以及復合固態(tài)電解質(zhì)。傳統(tǒng)的固態(tài)聚合物電解質(zhì)接近常溫電導率低，電位窗口窄，無機固態(tài)電解質(zhì)則是柔性差、具有較大的界面阻抗。作為二者的結(jié)合，復合固態(tài)電解質(zhì)不僅具有柔性，并且在相對低溫下具有良好的電導率，具有廣闊的研究前景。

 

圖1 BPEG對于鋰的沉積/脫出的影響示意圖

 

潘鋒教授課題組最近在復合固態(tài)電解質(zhì)及界面調(diào)控方面的研究取得重要進展。通過將無機的固態(tài)電解質(zhì)（Li.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)、有機的聚氧乙烯(PEO)和硼化聚乙二醇(BPEG)以7：1.5：1.5的比例混合，制備得到了無機有機復合固態(tài)電解質(zhì)（CSE-B-71515)。三個組分在其中各司其職：無機固態(tài)電解質(zhì)提供了鋰離子的通道，還能使得復合固態(tài)電解質(zhì)具有較高的機械強度；有機大分子PEO不但能夠傳導鋰離子，還起到了粘合陶磁顆粒的作用；而有機小分子BPEG首先使PEO的結(jié)晶度降低，其次將固-固界面之間的硬接觸變?yōu)榱塑浗佑|，從而能夠使得鋰在金屬鋰上的沉積和脫出更加均勻。通過具有以上的特性，該電解質(zhì)能夠很好地物理上和化學上阻擋鋰枝晶的產(chǎn)生。此外，60度下將固態(tài)電池的磷酸鐵鋰與金屬鋰分別作為正負極對該復合固態(tài)電解質(zhì)進行電化學測試，0.1C的倍率下取得了158 mA h g-1的比容量，2C的倍率下取得了94 mA h g-1的比容量。該研究對于固態(tài)電解質(zhì)的研究具有重要的指導價值。 

 

圖2 鋰離子在聚合物固態(tài)電解質(zhì)以及復合固態(tài)電解質(zhì)的傳輸路徑示意圖

 

該研究成果發(fā)表在最近的國際材料與能源的頂級期刊Advanced Energy Materials(Adv. Energy. Mat., 2017, 1701437 , DOI: 10.1002/aenm.201701437, 影響因子為16.7)上，該工作由潘鋒教授博士指導，由博士后楊盧奕作為第一作者及團隊的合作下完成。本工作得到國家材料基因重點專項和廣東省創(chuàng)新團隊的支持。