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    学院新闻
    哈工大(深圳)邱业君教授团队在室温全固态锂电池领域取得重要研究进展
    2022-04-29
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    (材料科学与工程学院/文、图)近日,哈工大(深圳)材料学院邱业君教授课题组联合中科院苏州纳米所陈立桅研究员/沈炎宾研究员团队和英国利物浦大学Andrew I. Cooper教授,开发了一种新兴的多孔有机笼锂离子导体,并成功应用于固态电池正极电解质,获得了循环性能良好的室温全固态电池,相关成果以“Room Temperature All-Solid-State Lithium Batteries Based on a Soluble Organic Cage Ionic Conductor”为题发表在Nature Communications

    固态锂电池由于具有比锂离子电池更高的能量密度和更好的安全性,已成为颇具发展潜力的下一代储能电池体系。然而,在固态锂电池中正极的锂离子传导仍然是限制其发展的瓶颈之一。多孔有机笼是近年来出现的一类新型晶态多孔材料,与MOFs、COFs的扩展、不可溶的框架结构不同,多孔有机笼具有良好的可溶性,可通过与其它可溶性化合物混合引入不同的物理性质,如质子传导等。迄今为止,多孔有机笼在气体吸附、小分子选择性分离、液体多孔材料等领域得到应用。然而,还未有基于多孔有机笼的锂离子导体。

    针对上述难题,研究者们首次报道了一种新兴的可溶多孔有机笼基锂离子导体Li-RCC1-ClO4。其框架中的阴阳离子官能团提供了一个具有高效介电屏蔽的环境,从而允许添加的锂盐(如LiClO4)中的锂离子解离成可移动离子,其合成过程如图1所示。


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    图1. 有机笼锂离子导体Li-RCC1-ClO4的合成


    该有机笼锂离子导体良好的溶解性(图2a),使其可被作为固态电池正极电解质直接添加在商用电池正极浆料中,因而可以沿用传统的浆料涂布方法来制造固态电池正极,大大降低生产成本。这些锂离子导电的有机笼在液相涂布及烘干过程中重结晶并生长在正极活性颗粒表面,因而获得良好的均分散性(图2b-h),并形成高效的离子导电网络,添加量仅为20 wt%就能获得良好的锂离子传导效果。


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    图2. 有机笼锂离子导体Li-RCC1-ClO4的溶解性及其在正极中的分布情况。


    如图3所示,基于Li-RCC1-ClO4正极电解质的Li||LiFePO4全固态电池在1.0 C的倍率下仍然表现出很好的循环稳定性,750次循环后容量保持率为88.2%。当LiFePO4的面载量增加到4 mg cm−2时,全固态电池仍能保持135 mAh g-1的放电比容量。更重要的是,该Li-RCC1-ClO4正极电解质同样适用于高电压LiCoO2和LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2,都能在室温下表现出较好的循环性能。


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    图3. 有机笼锂离子导体Li-RCC1-ClO4作为正极电解质与不同正极匹配的全固态电池的室温循环性能。


    该研究强调了在有机笼锂离子导体的设计上,选择阳离子型骨架的重要性。更重要的是,这种可溶的结构与现有的液相混浆涂布工艺基本完全兼容,可作为固态电池正极离子添加剂充分地发挥其作用。这为今后制备兼具高效离子传导和现有电池制备工艺兼容的理想正极电解质提供了新思路。

     本文第一作者为哈工大(深圳)材料学院的2016级博士研究生李静,哈尔滨工业大学(深圳)为第一通讯单位。该研究得到国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研业务费专项资金等经费支持。


    论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-29743-1