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　　高安全性的固態(tài)鋰金屬電池

　　近幾十年，鋰離子電池由于其高的能量密度被廣泛應(yīng)用于日常消費類電子產(chǎn)品和電動汽車等裝置，被認為是最具潛力的電化學能量轉(zhuǎn)化體系。在過去的三十年，鋰離子電池的能量密度從80Whkg-1增長到240Whkg-1已接近其物理化學的極限。因此，高能量密度體系的鋰金屬電池成為研究者關(guān)注的焦點。但是，鋰金屬負極搭配有機的商業(yè)化液態(tài)電解液由于枝晶的生長易造成嚴重的熱失控，存在巨大的安全隱患。固體電解質(zhì)的快速發(fā)展為解決鋰金屬電池中的安全問題提供了可靠的選擇。但是，由于固體電解質(zhì)與固態(tài)的鋰負極以及正極之間的固-固界面接觸，造成了較大的容量損失和接觸損失。因此，固體電解質(zhì)與固體電極之間的界面問題為固態(tài)鋰金屬電池進一步的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。另外，凝膠電解質(zhì)體系的發(fā)展，在一定程度上緩和了固態(tài)電解質(zhì)與電極之間的固-固界面問題，但是，由于有機液體電解液自身固有的易燃性，電池在高的工作溫度下的安全問題仍是潛在的威脅。因此，借助新的材料和工藝設(shè)計非易燃性且安全的固體電解質(zhì)界面十分必要?！境晒喗椤拷?，在中國科學院化學研究所郭玉國老師的悉心指導下，來自湖南農(nóng)業(yè)大學吳雄偉副教授成功的設(shè)計了具有粘彈性且非易燃的復合固體電解質(zhì)解決了固體電解質(zhì)與電極的接觸問題并實現(xiàn)金屬鋰的均勻沉積。該設(shè)計在固體電解質(zhì)與正負極界面之間成功的構(gòu)筑了鋰離子傳輸通道，進一步提升界面處的離子傳輸動力。得益于此新穎的設(shè)計，固態(tài)鋰金屬電池搭配LiFePO4(LFP)和LiCoO2(LCO)正極實現(xiàn)了優(yōu)異的電化學性能，0.5C下經(jīng)過100個循環(huán)容量保持率98%且在5C下發(fā)揮出97mAhg-1的容量。對循環(huán)后的鋰金屬負極進行了一系列表征，結(jié)果表明在鋰負極沒有枝晶的生成，成功的實現(xiàn)了金屬鋰的均勻沉積。

　　【圖文導讀】圖1CPL-IL固體電解質(zhì)與固態(tài)鋰金屬電池結(jié)構(gòu)示意圖

　　示意圖(a)具有粘彈性界面的CPL固體電解;(b)搭配固體電解質(zhì)的電池結(jié)構(gòu)示意圖;固體電解質(zhì)與電極的接觸行為(c)正極界面處和(d)鋰金屬負極界面處。圖2CPL固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)與形貌表征

　　CPL聚合物電解質(zhì)的掃描圖(a)截面圖(b)正面圖;CPL固體電解質(zhì)的光學照片(c)伸展態(tài)(d)彎曲態(tài);(e)復合固體電解質(zhì)的透射電鏡圖(內(nèi)嵌：選區(qū)電子衍射圖);(f)復合固體電解質(zhì)的元素分布圖。圖3CPL固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)與電化學性能表征

　　CPL復合固體電解質(zhì)的表征：(a)XRD表征;(b)熱重曲線圖;(c)復合固體電解質(zhì)的電化學窗口測試圖;(d)變溫阻抗測試;(e)阿倫尼烏斯線性擬合圖;(f)直流極化曲線(內(nèi)嵌：極化前后阻抗變化)。圖4鋰金屬固態(tài)電池電化學性能表征

　　液態(tài)鋰金屬電池搭配不同正極循環(huán)后鋰負極的掃描電鏡圖(a,e)LFP正極;(c,g)LCO正極;相應(yīng)的固態(tài)電池循環(huán)完后掃描電鏡圖;(b,f)LFP正極;(d,h)LCO正極;(i)金屬鋰在液態(tài)電解質(zhì)與固態(tài)電解質(zhì)中的生長機制示意圖;循環(huán)完后鋰金屬表面的原子力顯微鏡測試圖(j)Li|CPL-IL|LFP電池;(k)Li|EDDL|LCO液態(tài)電池;循環(huán)完后鋰金屬表面的XPS結(jié)果(i)S2p,(m)C1s,(n)N1s和(o)F1s?！究偨Y(jié)】通過粘彈性且安全的固體電解質(zhì)界面設(shè)計成功的穩(wěn)定了固體電解質(zhì)與電極的界面接觸問題。在電極與固體電解質(zhì)見成功的構(gòu)筑了鋰離子的傳輸通道，解決了固體電解質(zhì)與電極的接觸問題和實現(xiàn)了金屬鋰的均勻沉積。該設(shè)計為解決鋰金屬固態(tài)電池中電極與電解質(zhì)界面的接觸問題提供了實際和具有潛力的解決途徑。

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