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    青岛能源所在原位固态化界面融合技术构建高安全、高比能固态锂电池领域取得系列进展
    2021-01-21 | 编辑: | 【 】| | 供稿部门:固态能源系统技术中心
        

      202011月,国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》,提出加快固态动力电池技术研发及产业化是“新能源汽车核心技术攻关工程”,这充分表明:固态动力电池技术研发已经上升为国家战略。因此,加快推进固态锂电池研发已刻不容缓。鉴于固态聚合物电解质在柔韧性和可加工性等方面的优势,聚合物固态锂电池是实现高安全、高比能固态锂电池的可靠方案。然而,聚合物固态锂电池依然存在高电压界面相容性差、固/固多重界面载流子传输困难、长循环过程中固/固界面接触失效等问题。因此如何进一步保证固态聚合物锂电池中固/固多重界面相容性稳定性以及提升动力学传输能力已经成为横亘在固态聚合物锂电池从实验室基础研究到工程化应用之间不得不逾越的一条鸿沟。

      青岛能源所固态能源系统技术中心深耕“刚柔并济”聚合物电解质关键材料10余载,已经形成了特色电解质材料体系和规?;圃旒际?。针对上述瓶颈问题,提出并发展了原位固态化界面融合技术,构筑电极/电解质一体化紧密结构,有效提升了固态聚合物锂电池界面相容性和循环稳定性。

      “罗马不是一天建成的。固态能源系统技术中心从2010年开始布局固态电池原位固态化技术。2016年,该技术中心借鉴固态电解质界面(SEI)思路,将碳酸亚乙烯酯原位固态化构筑了聚碳酸亚乙烯酯一体化固态聚合物锂电池,显著提升了界面相容性和循环稳定性(Adv. Sci., 2017, 4, 1600377;ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 13588-13597;ZL201610208379.4;ZL201610208378.X)。2017年,为进一步提升电解质的电化学稳定性,该技术中心又利用原位固态化技术开发出可用于5 V锂电池的电解质体系(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 41462)。为解决自由基原位固态化中液态小分子带来安全问题,该中心发展了基于低温共熔体原位固态化构建固态聚合物电解质(PDES-CPE)的新方案。由于前驱体采用的是固体小分子,从很大程度上抑制了残留液体单体可能发生的副反应对锂电池的不利影响(Chem. Mater., 2020, 32, 9167-9175;Small, 2020, 1907163;CN201910479254.9)。

      基于传统自由基原位固态化构建的固态聚合物电解质普遍会引入偶氮二异丁腈(AIBN)等引发剂,其与负极兼容性差(尤其是锂金属),会恶化电池性能。为有效避免额外引发剂引入带来杂质等问题,固态能源系统技术中心将锂盐作为前聚体聚合的引发剂,开展了系列化工作。首先将聚乙二醇二缩水甘油醚作为聚合前聚体,将LiTFSI作为主盐,LiODFB作为聚乙二醇二缩水甘油醚阳离子开环聚合的引发剂,原位聚合得到了固态聚合物电解质(Adv. Sci., 2017, 4, 1700174)。该中心又通过LiODFB(既做主盐又做引发剂),引发三聚甲醛/丁二腈低温共熔体聚合制备出具有超分子结构的新型室温固态聚合物电解质,实现了4.3 V LiCoO2/锂金属电池的室温稳定运行(Adv. Sci., 2020, 7, 2003370;J. Electrochem. Soc., 2020, 167, 070527;PCT/CN2020/074805;CN201911357076.9)。


      1. 原位固态化界面融合技术解决固态电池固/固界面问题

      利器添翼、良工谋事?;谏鲜鲅芯炕『图际趸?,固态能源系统技术中心成功研制出高安全、高比能固态锂离子电池;同时该技术入选了2020“全球新能源汽车前沿技术”;承担的国家重点研发计划新能源汽车专项---高比能固态锂电池技术项目以优秀的成绩顺利通过了项目中期考核。截至目前,固态能源系统技术中心在固态锂电池相关成果与技术方面已申请PCT专利6项,申请国家专利97项,授权68项,形成了具有完全自主知识产权的原位固态化界面融合核心技术的技术包。另外,根据中国科学院文献情报中心对“聚合物固态电池”这一主题的检索和全面分析,自201611日至2020214日,崔光磊研究员以59篇发文量排名全球榜首。这必将极大提升我国在聚合物固态电池关键材料和核心技术领域的国际话语权和国际影响力。

      原位固态化界面融合技术与现有商品液态锂离子电池生产工艺十分契合,所以该技术已经得到行业的高度认可,现已成为下一代动力电池主流技术。未来固态能源技术中心将不断优化和升级该技术,进一步开发和拓展在更广泛领域应用的高安全、高比能固态锂电池,为全球动力电池发展贡献中国的解决方案。(文/张建军)

      (上述研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划新能源汽车专项、中国科学院战略先导A、中国科学院重点部署项目等的支持与资助)

     
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