鋰離子電池作為目前研究與應(yīng)用較廣的清潔能源，被廣泛應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品、人工智能、電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)等前沿科技領(lǐng)域。但隨著鋰離子電池的快速發(fā)展，其安全性能也越來(lái)越成為人們最關(guān)心的問(wèn)題。

 

       傳統(tǒng)鋰離子電池均采用液態(tài)電解質(zhì)，而液態(tài)電解質(zhì)本身的性質(zhì)直接影響到其安全性能。固態(tài)鋰電池能夠解決一部分安全問(wèn)題。但由于固態(tài)顆粒間的電導(dǎo)率低，固態(tài)電池中的電導(dǎo)率一直不理想，直到關(guān)于運(yùn)用MOF作為框架主體，鋰離子液體作為離子傳輸客體的類固態(tài)電解質(zhì)(MOF-IL)的研究報(bào)道，給固態(tài)電池開(kāi)辟了新的研究視角。近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)基于這一視角，進(jìn)一步提高了該類固態(tài)電解質(zhì)的安全性能及其離子傳輸性能。研究成果近期發(fā)表于Chemical Communications，題為“Enhanced lithium dendrite suppressing capability enabled by a solid-like electrolyte with different-sized nanoparticles”（Chem. Commun., 2018,54, 13060-13063;natureindex期刊 DOI: 10.1039/c8cc07476c），并被作為封面文章highlight推薦。

 

        團(tuán)隊(duì)研究了金屬鋰電池中顆粒大小對(duì)MOF-IL離子導(dǎo)體性能的影響。研究者將兩種不同顆粒大小的離子導(dǎo)體組合使用，相比于單一組分的離子導(dǎo)體，混合尺寸能有效減小電解質(zhì)顆粒間的空隙，增加電解質(zhì)顆粒間和電解質(zhì)與鋰金屬表面的接觸點(diǎn)，使鋰沉積更加均勻，由此對(duì)鋰枝晶生長(zhǎng)的阻礙能力得到改善。并且由于導(dǎo)離子通道增加，電解質(zhì)的導(dǎo)電性也得到一定的提高。該類固態(tài)電解質(zhì)與商業(yè)化的正極材料LiFePO4、LiCoO2和負(fù)極材料鋰金屬組裝成電池還表現(xiàn)出可觀的倍率性能和循環(huán)性能，LiCoO2|electrolyte|Li電池初始容量為129 mAhg-1，在100圈后有94.6%的保持率；LiFePO4|electrolyte|Li電池初始容量為137 mAhg-1，在100圈后有94.8%的保持率。

鋰枝晶生長(zhǎng)情況及其原理圖

 

電池循環(huán)倍率曲線

 

       該工作在新材料學(xué)院潘鋒教授和楊盧奕博士共同指導(dǎo)下，由2017級(jí)碩士研究生王可完成。以上工作得到了國(guó)家材料基因組重大專項(xiàng)(2016YFB0700600)、國(guó)家自然科學(xué)基金(Nos. 21603007)、深圳市科技創(chuàng)新委 (Nos.JCYJ20160531141048950 and JCYJ20151015162256516)的資助支持。