中科院青島能源所又一固態(tài)電池技術實現(xiàn)突破

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所又公布了一項固態(tài)電池的技術突破，是在崔光磊研究員帶領下，董杉木研究員、胡磊博士等利用熔融黏結技術，干法制備出具有出色柔韌性的超薄硫化物固態(tài)電解質膜，其優(yōu)異的力學性能、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LiNi_0.83Co_0.11Mn_0.06O₂（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，實現(xiàn)界面融合，有效規(guī)避傳統(tǒng)濕法正極容易產(chǎn)生裂紋問題，制備出的一體化全固態(tài)電池具有優(yōu)異的界面穩(wěn)定性、長循環(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Advanced 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。

硫化物固態(tài)電解質膜的制作SEM展示

研究團隊針對目前干法制備過程中各組分分散不均問題，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Li₆PS₅Cl進行預混，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，實現(xiàn)超薄成膜（厚度≤25μm）的同時，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（2.1mS/cm）。

SX-CT對應力耗散機制的解析

使用同步輻射X射線斷層掃描（SX-CT）對循環(huán)過后的對稱電池進行觀測，發(fā)現(xiàn)該超薄膜能夠有效抑制循環(huán)過程中因電極體積膨脹帶來的界面分離和電解質碎裂等問題，保持界面穩(wěn)定，證明在固態(tài)電解質內部構建完整的聚合物逾滲網(wǎng)絡，不僅有利于其薄層化，更有利于耗散電池運行過程中的不均勻內應力，降低力機械失效風險。

一體化硫化物全固態(tài)電池的長循環(huán)性能

研究團隊以正極和薄層電解質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9200小時、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10000小時，進一步提升NCM83載量到53.1 mg·cm^-2，其能量密度超過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，表明熔融黏結技術具有出色的實用性潛力，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)電池未來科學研究和工藝技術發(fā)展提供有力參考。

作者簡介

崔光磊，研究員，博士生導師，國家新能源汽車專項高比能固態(tài)鋰電池技術項目首席科學家，國家級人才，國家杰出青年科學基金獲得者，國務院特殊津貼專家。獲山東省自然科學一等獎、青島市自然科學一等獎等獎項。2005年于中國科學院化學所獲得有機化學博士學位，2005年9月至2009年先后在德國馬普協(xié)會高分子所和固態(tài)所從事博士后研究。2009年2月以研究員到中科院青島生物能源與過程所工作，現(xiàn)任中科院青島能源所學位委員會主任、學術委員會副主任，青島儲能產(chǎn)業(yè)技術研究院執(zhí)行院長、能源應用技術研究室主任，國際聚合物電解質委員會理事、國際儲能創(chuàng)新聯(lián)盟理事、中國化學會電化學委員會委員、中國化學會有機固體專業(yè)委員會委員等。近幾年主要從事高比能固態(tài)電池關鍵材料和系統(tǒng)研發(fā)、深海特種電源開發(fā)應用及固態(tài)光電轉換器件的研究工作。先后在能源材料、化學、器件等方面的國際權威雜志Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Sci.等發(fā)表文章300多篇，他引10000多次。

董杉木，青島生物能源與過程研究所研究員，博士生導師。泰山學者青年專家、中科院青年中國科學院青年創(chuàng)新促進會入選者，2012年博士畢業(yè)于中科院青島生物能源與過程研究所，師從崔光磊研究員。申請人從事鋰金屬界面設計及相關機理研究。近年來共發(fā)表SCI學術論文94篇，他引5200余次，個人H-index 42。近五年在 Angew. Chem. Int. Ed，Adv. Mater.，Mater. Today，Adv. Energy Mater.，Chem. Mater.，等國際權威學術期刊上以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文35篇，承擔包括中科院先導A子課題、國家重點研發(fā)計劃子課題在內共4個項目，累計經(jīng)費超過1500萬。授權專利12項，在17年、18年分別以第三完成人身份獲得青島市、山東省自然科學獎一等獎各一次。

參考來源：

中國科學院青島生物能源與過程研究所

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