基于單離子導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)和NCM811的高能鋰電池

【研究背景】

鋰離子電池在便攜式電子設(shè)備中取得了巨大的成功，并越來越多地用于大規(guī)模儲能領(lǐng)域。下一代電池技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展高能量、高功率密度、高安全性的鋰金屬負(fù)極。然而，鋰金屬將持續(xù)與普通液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致“死”鋰和枝晶的形成?；诰郗h(huán)氧乙烷(PEO)的聚合物電解質(zhì)已經(jīng)商業(yè)化并應(yīng)用于電動車輛。然而，它在室溫下的離子電導(dǎo)率相當(dāng)?shù)停s為10-5至10-4秒·厘米-1(液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)約為10-3至10-2秒·厘米-1)。為了克服這些問題，在聚合物上固定陰離子電荷是提高電導(dǎo)率的有效策略，使得鋰離子的遷移率接近于1，但室溫下的離子電導(dǎo)率仍遠(yuǎn)低于液體電解質(zhì)，約為10-7 ~ 10-5s·cm-1。最近，一些作者報道了基于多嵌段共聚(亞芳基醚砜)和全氟磺酰亞胺鋰側(cè)鏈功能化的單離子導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)的合成和電化學(xué)表征。自支撐電解質(zhì)膜在30℃下，摻雜離子型嵌段共聚物，可提供約10-3S·cm-1的離子電導(dǎo)率。

【工作介紹】

近日，德國亥姆霍茲國家研究中心Dominic Bresser和Stefano Passerini等人基于多嵌段共聚（亞芳基醚砜）并結(jié)合“分子轉(zhuǎn)運(yùn)體”（例如碳酸亞丙酯）的電解質(zhì)設(shè)計了高能量密度鋰金屬電池，同時在其中首次使用了NCM811的正極。組裝的電池可以在20℃甚至0℃下穩(wěn)定運(yùn)行500次循環(huán)以上，在采用優(yōu)化的充電模式后甚至不會出現(xiàn)明顯的容量衰減。相關(guān)研究成果以“High-energy lithium batteries based on single-ion conducting polymer electrolytes and Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2 cathodes”為題發(fā)表在國際知名期刊Nano Energy上。

【內(nèi)容詳情】
一、SI10-05-70%PC電解質(zhì)的表征     

圖1：a）SI10-05離聚物的分子結(jié)構(gòu)，親電性PES嵌段以綠色突出顯示，而親電性FPES嵌段以藍(lán)色突出顯示。b）在兩個聚酯薄膜之間壓制后，SI10-05-70％PC離聚物膜的照片。

如圖1a所示，由全氟化磺酰亞胺鋰功能的PES嵌段和FPES嵌段組成平均嵌段長度分別為10 kg mol-1和5 kg mol-1的SI10-05離聚物。圖1b顯示了用70 wt％的PC膨脹后，SI10-05-70％PC的典型半透明薄膜。對一塊SI10-05-70％PC進(jìn)行重復(fù)拉伸，顯示出高彈性的機(jī)械性能。用PFG-NMR測定該膜的鋰遷移數(shù)為1。

二、SI10-05-70％PC電解質(zhì)的理化和電化學(xué)性質(zhì)

圖2：a）SI10-05-70％PC電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率隨溫度的變化。b）確定各種溫度下的極限電流密度。c）線性掃描伏安法確定電化學(xué)穩(wěn)定性窗口。d）確定氧化穩(wěn)定性。e，f）循環(huán)伏安法研究氧化還原過程。

SI10-05-70％PC電解質(zhì)在-30℃–90℃溫度范圍內(nèi)的離子電導(dǎo)率如圖2a所示。該圖符合典型的Vogel–Tammann–Fulcher（VTF）方程，這表明Li+陽離子的轉(zhuǎn)運(yùn)與溶劑配位的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，這意味著PC溶劑分子充當(dāng)了一種“分子轉(zhuǎn)運(yùn)體”。各種溫度下的極限電流密度（j0）（圖2b）大大高于SI15-15-55％EC電解液體系，在0℃甚至-10℃時，極限電流密度仍然很高，這表明即使在相對較低的溫度下也具有良好的性能。通過循環(huán)伏安法在3.0 V–4.7 V的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步研究（圖2f），至4.5V時電流穩(wěn)定地降低為0 mA cm-2，表明電極/電解質(zhì)界面在循環(huán)時能夠保持穩(wěn)定。

三、Li/NCM811全電池中SI10-05-70％PC電解質(zhì)的電化學(xué)行為

圖3：循環(huán)伏安法（電壓范圍在3.0 V至4.3V）。a）以0.02 mV s-1的掃描速率進(jìn)行三個循環(huán)；b）50個連續(xù)的CV循環(huán)，掃描速率為0.2 mV s-1。

通過循環(huán)伏安法評估了Li / NCM811電池的電化學(xué)行為（圖3）。觀察到三個典型的氧化還原對，分別與六方和單斜（H1-M），單斜和六方（M-H2）以及六方和六方（H2-H3）相變有關(guān)。兩個高電壓對在循環(huán)時完全重疊，表明相關(guān)的相變具有很高的可逆性。關(guān)于第一個氧化還原對（與H1-M相變有關(guān)），陽極峰向較低電勢輕微移動，導(dǎo)致氧化還原峰間隔（ΔV）減小，值得一提的是，對于可逆的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，第三次循環(huán)中的ΔV接近理論值，這對于聚合物電解質(zhì)電池而言是個巨大的突破。在隨后的步驟中，同一電池以較高掃描速率進(jìn)行了50圈CV循環(huán)（圖3b）。在這樣相對較高的掃描速率下，第二和第三相變（即，M-H2和H2-H3）的氧化還原峰對很難區(qū)分。此外，還觀察到極化略有增加，這由較高的氧化還原峰間距所證明。然而，H1-M的氧化還原峰間距（ΔV）逐漸降低并在約25個循環(huán)后保持穩(wěn)定。另外，在前三圈循環(huán)后，氧化還原峰強(qiáng)度幾乎保持不變，證實了發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)良好的可逆性。

四、恒電流循環(huán)和倍率性能

在保持電壓范圍恒定的情況下，作者進(jìn)一步評估了包含SI10-05-70％PC電解液的Li/NCM811電池在20℃和40℃下的倍率性能和恒流循環(huán)性能（圖4）。20℃下，在0.05C首圈充放電過程中，Li / NCM811電池的可逆放電容量為201 mAh g-1（圖4a），非常接近在0.1C下的可逆放電容量。40℃下，Li/SI10-05-70％PC/NCM811電池在0.05C循環(huán)得到更高的放電容量（圖4b），這可能是由于在升高的溫度下電極反應(yīng)動力學(xué)增強(qiáng)。但是，由于在高溫下發(fā)生了不可逆的副反應(yīng)，在20℃時的首圈庫侖效率比40℃時的高。從第一個循環(huán)就已經(jīng)可以看出，增強(qiáng)的反應(yīng)動力學(xué)對容量提升是有利的，但會降低庫侖效率（圖4a-c）。

圖4. Li/SI10-05-70％PC/NCM811電池在20℃和40℃時的倍率能力測試和恒流循環(huán)。a）20℃和b）40℃下以不同的倍率選擇的放電/充電曲線;c）比較兩種溫度下的倍率能力（0.05C，0.1C，0.2C，0.5C，1C，2C和5C）和隨后在0.5C的長循環(huán)性能；d）比較20℃和40℃下1C恒電流循環(huán)性能（截止電壓設(shè)置為3.0-4.3V）。

五、循環(huán)時電極動力學(xué)的演變

為了研究這種衰減的原因，作者再次進(jìn)行了相同的測試（即，在1C和20°C的恒流循環(huán)），并在選定圈數(shù)的放電和充電狀態(tài)下進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（EIS）測量（圖5）。在放電狀態(tài)（圖5a）和充電狀態(tài)（圖5b）下，選定圈數(shù)的奈奎斯特圖在較高頻率下顯示出了一個半圓，作者將半圓指定為鋰金屬/電解質(zhì)阻抗。在最初的10個循環(huán)中，該電阻項略有增加，可能是由于循環(huán)時鋰金屬表面的重組所致。然而，它在隨后的循環(huán)中持續(xù)下降并最終穩(wěn)定，這表明聚合物基電解質(zhì)和鋰金屬負(fù)極之間的界面非常穩(wěn)定。在充電狀態(tài)下（圖5b），觀察到第二個半圓，可歸功于去鋰化狀態(tài)下NCM811電極上的電荷轉(zhuǎn)移電阻。這項阻抗在循環(huán)時增加，直到大約100個循環(huán)后才最終穩(wěn)定。這些結(jié)果表明，進(jìn)一步改善正極的界面穩(wěn)定性是關(guān)鍵。

圖5.獲得的Li/SI10-05-70％PC/ NCM811全電池的EIS數(shù)據(jù)的奈奎斯特圖，在a）放電狀態(tài)（3.0 V）和b）充電的情況下，在1C和20℃循環(huán)了180個循環(huán)。

六、原始電極和循環(huán)電極的形態(tài)分析

該研究的主要目標(biāo)之一是NCM811活性物質(zhì)顆粒和多孔電極的浸潤。盡管NCM811活性材料，PVDF粘合劑和導(dǎo)電碳具有良好的分散性，且受到擠壓，但它們?nèi)匀恍纬闪丝祝▓D6a，b中的黃色圓圈表示）。通過優(yōu)化后的SI10-05-70％PC電解質(zhì)可以有效地填充這些孔，從而實現(xiàn)聚合物基電解質(zhì)與NCM811活性材料顆粒之間的緊密接觸（圖6c-1）。圖6c顯示出了在剝離鋁集流體之后的正極底部，顯示出大量的聚合物基電解質(zhì)，顯然這些聚合物電解質(zhì)與鋁箔接觸并且均勻地包覆了NCM811顆粒。圖6l中的硫分布圖譜表明，離聚物在整個電極表面上分布均勻。

圖6. a，b）原始狀態(tài)下NCM811電極形態(tài)，c)包含SI10-05-70％PC電解質(zhì)NCM811電極形態(tài)；d-f）剝?nèi)ヤX集電器后的NCM811電極的底層。g）循環(huán)后（頂層）NCM811電極的SEM顯微照片和h–l）EDX元素分布。

對于同一個電池，作者還設(shè)法回收了鋰金屬電極，并對原始鋰金屬電極和循環(huán)后的鋰金屬電極進(jìn)行了SEM比較分析（圖7）。前者顯示出非常干凈和光滑的表面（圖7a，b），而后者較粗糙，但是不存在樹枝狀鋰沉積（圖7c，d）。這與EIS結(jié)果非常吻合，表明在經(jīng)過一些初始表面重組后，離聚物基電解質(zhì)和鋰金屬電極之間的界面穩(wěn)定。

圖7. a，b）原始鋰金屬電極和c，d）循環(huán)鋰金屬電極在不同放大倍數(shù)下的比較SEM分析。

七、嚴(yán)苛條件下的倍率性能和長期循環(huán)性能的研究

為了研究充電模式對電化學(xué)性能的影響，作者在恒流（CC）的末尾添加了恒壓（CV）步驟，通常稱為CCCV循環(huán)。充電模式的這種變化在所有倍率下實現(xiàn)了更高的容量。在40℃下，相對較低的容量增加反映了當(dāng)聚合物電解質(zhì)中的動力學(xué)和Li +電導(dǎo)率已經(jīng)較快且總體極化程度較低時，附加的恒壓步驟的影響相對較低。但是，對于隨后的0.5C的恒定電流循環(huán)，倍率能力的提高伴隨著較低的容量保持極限（圖8a）。

圖8. a）恒壓階躍對Li / SI10-05-70％PC / NMC811全電池倍率能力和長期恒流循環(huán)影響的比較。b）研究將上限電壓從4.3 V擴(kuò)展到4.4V和4.5 V對Li / SI10-05-70％PC / NCM811全電池性能的影響。c）研究Li / SI10-05-70％PC / NCM811全電池在0℃下的性能。

克服由于極化增加而導(dǎo)致在倍率升高時容量降低的另一種方法是增加陽極截止電壓。在0.05C的第一個循環(huán)中，隨著截止電壓升高，容量增加；但是，首圈庫侖效率顯示出相反的趨勢。不過，后者的值仍高于40℃時的第一個周期（陽極截止電壓為4.3 V），因此這種升高的截止電壓對于容量的提升是有利的。當(dāng)逐步提高倍率時，對于4.5V的陽極截止電壓，直到0.5C時，容量仍保持最高（圖8b）。在高倍率能力和長期循環(huán)穩(wěn)定性這兩個目標(biāo)之間顯然有一個最佳選擇，這是必須在電池管理系統(tǒng)中實現(xiàn)的，即更高的截止電壓和更高的充放電倍率下的CV階躍以及相對較低的倍率下較低的電壓截止值。值得注意的是，Li/SI10-05-70％PC / NCM811電池在0℃時也提供了相當(dāng)高的比容量。隨后在0.5C下進(jìn)行500次循環(huán)顯示出優(yōu)異的長期循環(huán)穩(wěn)定性，而沒有任何明顯的衰減。

【結(jié)論】

優(yōu)化的單離子導(dǎo)電多嵌段共聚物電解質(zhì)si10-05-70%聚碳酸酯具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，因為它具有高離子電導(dǎo)率、極限電流密度、良好的除鋰/鋰化動力學(xué)、高氧化和還原穩(wěn)定性以及成功滲透到NCM811電極中。陽極/電解質(zhì)界面在未來的研究中可能會進(jìn)一步穩(wěn)定-特別是在高溫和高達(dá)4.5 V的陽極截止電壓下-因此這些電池可以提供優(yōu)異的倍率性能和高達(dá)500次循環(huán)的長期循環(huán)穩(wěn)定性，并且即使在20℃和0℃下，它們也可以通過精心優(yōu)化的充電模式穩(wěn)定運(yùn)行。

Zhen Chen, Dominik Steinle, Huu-Dat Nguyen, Jae-Kwang Kim, Alexander Mayer, Junli Shi, Elie Paillard, CristinaIojoiu, Stefano Passerini, Dominic Bresser, High-energy lithium batteries based on single-ion conducting polymer electrolytes and Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2 cathodes, Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105129

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