燃料電池都面世了，還有必要研究固態(tài)電池嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-07 21:14
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一、為什么研究固態(tài)電池？
目前基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池在一些應(yīng)用場(chǎng)景，比如電動(dòng)車和智能電子產(chǎn)品，越來(lái)越難以滿足消費(fèi)者的長(zhǎng)續(xù)航要求。為此研究者將Li金屬作負(fù)極與硫、空氣（氧）或高含量層狀鎳氧化物的正極結(jié)合來(lái)制備更高能量密度的電池。同時(shí)，由于有機(jī)溶劑電解質(zhì)自身存在安全性隱患，促使了人們加快對(duì)固態(tài)電解質(zhì)、離子液體、聚合物及其組合進(jìn)行研究。另外，目前的鋰離子技術(shù)需要復(fù)雜的冷卻和控制模塊，以確保工作溫度保持在60℃以下。如果溫度經(jīng)常處于高溫狀態(tài)，則會(huì)使得電池性能和壽命嚴(yán)重受損。所以研究固態(tài)電解質(zhì)的核心還是為了安全，無(wú)論是對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池還是將來(lái)可能的鋰金屬電池。
二、固態(tài)電解質(zhì)的類型
除了無(wú)機(jī)陶瓷或玻璃電解質(zhì)之外，最近顯示出超越Li離子能量存儲(chǔ)技術(shù)的電解質(zhì)材料有以下四種：固體聚合物電解質(zhì)(SPE)、離子液體、凝膠和納米復(fù)合材料以及有機(jī)離子塑料晶體。基于SPE和Li金屬的電池在高溫（50-100℃）條件下仍舊具有不錯(cuò)的性能。其中，離子液體作為高能量密度電池中的電解質(zhì)可以提供許多理想和可定制的特征。例如，它們具有能夠?qū)崿F(xiàn)金屬負(fù)極和高壓正極的大型電化學(xué)性能、最小的揮發(fā)性和零可燃性和更高的溫度穩(wěn)定性。本文中，作者將對(duì)基于聚合物和離子液體的下一代固體電解質(zhì)的進(jìn)展和前景進(jìn)行討論。
三、固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
近日，澳大利亞迪肯大學(xué)的MariaForsyth教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)等人在AccountofChemicalResearch上發(fā)表了題為“InnovativeElectrolytesBasedonIonicLiquidsandPolymersforNext-GenerationSolid-StateBatteries”的綜述文章。本文中，作者討論自己團(tuán)隊(duì)在這些領(lǐng)域的一些工作。例如鈉、鎂、鋅和鋁等金屬也被認(rèn)為是鋰金屬的儲(chǔ)能技術(shù)的替代品。然而，基于這些堿金屬基儲(chǔ)能應(yīng)用所需材料的研究仍處于相對(duì)初級(jí)的階段。其次，電解質(zhì)在實(shí)現(xiàn)這些裝置方面發(fā)揮了重要作用，很大程度上是類似Li技術(shù)。作者也討論了他們最近在這些領(lǐng)域的一些進(jìn)展，以及對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展方向的看法。本文還演示了嵌段共聚物與離子液體電解質(zhì)結(jié)合使用時(shí)，可同時(shí)提供力學(xué)性能和高離子導(dǎo)電性。最終的電解質(zhì)材料，將使所有高性能的固態(tài)電池將有離子傳輸解耦的機(jī)械性能。
3.1．陰離子單離子導(dǎo)體
單離子導(dǎo)體：即陰離子附著在聚合物骨架上限制其自由移動(dòng)，導(dǎo)致陽(yáng)離子成為唯一可以自由移動(dòng)的離子的聚合物電解質(zhì)，且陽(yáng)離子輸運(yùn)數(shù)幾乎等于1。最近，Armand團(tuán)隊(duì)的研究表明，單離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率通常是低于雙離子導(dǎo)體。接著，作者基于他們對(duì)單離子導(dǎo)體系統(tǒng)的研究，提出提高單離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率的兩種主要策略：I、設(shè)計(jì)具有較低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和較高聚合物段流動(dòng)性的體系；II、離子導(dǎo)電性與聚合物骨架的動(dòng)力學(xué)解耦。
1）共聚的方法增加分段遷移的動(dòng)力學(xué)
目前有大量的陰離子聚合物可用作鋰和鈉的單離子導(dǎo)體。在作者的研究中，主要是專注于乙烯基、丙烯酰胺基和甲基丙烯酸酯基的單離子導(dǎo)體。由于自由基聚合不僅簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，而且自由基聚合對(duì)離子官能團(tuán)的耐受性很高，所以選擇了自由基聚合技術(shù)。這些聚合物的一般化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1a所示。例如，作者開發(fā)的聚(鋰1-[3-(甲基丙烯酰氧基)-丙基磺酰]-1-(三氟甲基磺酰)亞胺)(PMTFSI)的單離子導(dǎo)體表現(xiàn)出較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg>90℃)，因此具有較低的室溫電導(dǎo)率，同時(shí)加入環(huán)氧乙烷增加聚合物骨架的柔韌性。
目前基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池在一些應(yīng)用場(chǎng)景，比如電動(dòng)車和智能電子產(chǎn)品，越來(lái)越難以滿足消費(fèi)者的長(zhǎng)續(xù)航要求。為此研究者將Li金屬作負(fù)極與硫、空氣（氧）或高含量層狀鎳氧化物的正極結(jié)合來(lái)制備更高能量密度的電池。同時(shí)，由于有機(jī)溶劑電解質(zhì)自身存在安全性隱患，促使了人們加快對(duì)固態(tài)電解質(zhì)、離子液體、聚合物及其組合進(jìn)行研究。另外，目前的鋰離子技術(shù)需要復(fù)雜的冷卻和控制模塊，以確保工作溫度保持在60℃以下。如果溫度經(jīng)常處于高溫狀態(tài)，則會(huì)使得電池性能和壽命嚴(yán)重受損。所以研究固態(tài)電解質(zhì)的核心還是為了安全，無(wú)論是對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池還是將來(lái)可能的鋰金屬電池。
二、固態(tài)電解質(zhì)的類型
除了無(wú)機(jī)陶瓷或玻璃電解質(zhì)之外，最近顯示出超越Li離子能量存儲(chǔ)技術(shù)的電解質(zhì)材料有以下四種：固體聚合物電解質(zhì)(SPE)、離子液體、凝膠和納米復(fù)合材料以及有機(jī)離子塑料晶體。基于SPE和Li金屬的電池在高溫（50-100℃）條件下仍舊具有不錯(cuò)的性能。其中，離子液體作為高能量密度電池中的電解質(zhì)可以提供許多理想和可定制的特征。例如，它們具有能夠?qū)崿F(xiàn)金屬負(fù)極和高壓正極的大型電化學(xué)性能、最小的揮發(fā)性和零可燃性和更高的溫度穩(wěn)定性。本文中，作者將對(duì)基于聚合物和離子液體的下一代固體電解質(zhì)的進(jìn)展和前景進(jìn)行討論。
三、固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
近日，澳大利亞迪肯大學(xué)的MariaForsyth教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)等人在AccountofChemicalResearch上發(fā)表了題為“InnovativeElectrolytesBasedonIonicLiquidsandPolymersforNext-GenerationSolid-StateBatteries”的綜述文章。本文中，作者討論自己團(tuán)隊(duì)在這些領(lǐng)域的一些工作。例如鈉、鎂、鋅和鋁等金屬也被認(rèn)為是鋰金屬的儲(chǔ)能技術(shù)的替代品。然而，基于這些堿金屬基儲(chǔ)能應(yīng)用所需材料的研究仍處于相對(duì)初級(jí)的階段。其次，電解質(zhì)在實(shí)現(xiàn)這些裝置方面發(fā)揮了重要作用，很大程度上是類似Li技術(shù)。作者也討論了他們最近在這些領(lǐng)域的一些進(jìn)展，以及對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展方向的看法。本文還演示了嵌段共聚物與離子液體電解質(zhì)結(jié)合使用時(shí)，可同時(shí)提供力學(xué)性能和高離子導(dǎo)電性。最終的電解質(zhì)材料，將使所有高性能的固態(tài)電池將有離子傳輸解耦的機(jī)械性能。
3.1．陰離子單離子導(dǎo)體
單離子導(dǎo)體：即陰離子附著在聚合物骨架上限制其自由移動(dòng)，導(dǎo)致陽(yáng)離子成為唯一可以自由移動(dòng)的離子的聚合物電解質(zhì)，且陽(yáng)離子輸運(yùn)數(shù)幾乎等于1。最近，Armand團(tuán)隊(duì)的研究表明，單離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率通常是低于雙離子導(dǎo)體。接著，作者基于他們對(duì)單離子導(dǎo)體系統(tǒng)的研究，提出提高單離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率的兩種主要策略：I、設(shè)計(jì)具有較低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和較高聚合物段流動(dòng)性的體系；II、離子導(dǎo)電性與聚合物骨架的動(dòng)力學(xué)解耦。
1）共聚的方法增加分段遷移的動(dòng)力學(xué)
目前有大量的陰離子聚合物可用作鋰和鈉的單離子導(dǎo)體。在作者的研究中，主要是專注于乙烯基、丙烯酰胺基和甲基丙烯酸酯基的單離子導(dǎo)體。由于自由基聚合不僅簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，而且自由基聚合對(duì)離子官能團(tuán)的耐受性很高，所以選擇了自由基聚合技術(shù)。這些聚合物的一般化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1a所示。例如，作者開發(fā)的聚(鋰1-[3-(甲基丙烯酰氧基)-丙基磺酰]-1-(三氟甲基磺酰)亞胺)(PMTFSI)的單離子導(dǎo)體表現(xiàn)出較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg>90℃)，因此具有較低的室溫電導(dǎo)率，同時(shí)加入環(huán)氧乙烷增加聚合物骨架的柔韌性。
