電化學(xué)儲(chǔ)能電池核心部分由電極、電解質(zhì)、集流體組成,如何將三部分要素有機(jī)整合是提高電池綜合性能的關(guān)鍵。近日,依托中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所建設(shè)的青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院結(jié)合地方企業(yè)技術(shù)需求,在儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料的表界面研究中取得一系列重要進(jìn)展,相關(guān)成果分別發(fā)表在Nano Energy、Electrochemistry Communications、Advanced Energy Materials 等雜志。 

 為服務(wù)青島地方企業(yè)對(duì)提高儲(chǔ)能電池安全性的需求,儲(chǔ)能院張波博士帶領(lǐng)的研發(fā)小組利用濕法抄紙和聚酰亞胺涂覆相結(jié)合工藝,以無(wú)機(jī)玻璃纖維為基質(zhì),開發(fā)了30微米厚的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合電池隔膜。相對(duì)于商品化的聚丙烯隔膜,該類隔膜不但具備更加理想的電解液潤(rùn)濕性能、優(yōu)異的界面相容性和界面穩(wěn)定性,同時(shí)其尺寸熱穩(wěn)定性及阻燃性能也有了大幅度的提升。該項(xiàng)技術(shù)有望大幅提高高能密度電池的安全性,相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Energy(2014, 10, 277)。

動(dòng)力鋰離子電池能量密度的提高,除與正負(fù)極材料相關(guān)外,對(duì)所采用電解液的要求也越來(lái)越高。作為添加劑用二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)為代表的鋰離子電池電解質(zhì)鹽,與六氟磷酸鋰相比,具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、良好的電導(dǎo)性和電化學(xué)穩(wěn)定性。然而,在充放電過(guò)程中該電解質(zhì)會(huì)逐漸腐蝕鋁箔集流體表界面造成集流體失效。儲(chǔ)能院韓鵬獻(xiàn)高工帶領(lǐng)的研究小組成功制備出具有高度取向結(jié)構(gòu)的柔性石墨膜集流體材料,在該鋰鹽中,柔性的集流體顯示出優(yōu)異的抗電化學(xué)腐蝕性能。單電池常溫循環(huán)1000次,容量保持率高達(dá)89%;高溫55℃,充放電循環(huán)300次,容量保持率也在80%以上(Electrochem. Commun.,2014, 44, 70)。

 鋰空電池是一種具備超高理論能量密度的新型二次電池。該類電池放電產(chǎn)物L(fēng)i₂O₂是不溶于有機(jī)電解液的絕緣性固體,如何實(shí)現(xiàn)其可逆的生成/分解是鋰空電氣池首要的科學(xué)問(wèn)題。為研究放電產(chǎn)物的精細(xì)結(jié)構(gòu)和理解其混合傳輸能力,儲(chǔ)能院董杉木博士與中科院物理研究所谷林教授合作,對(duì)Li₂O₂放電產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原子尺度表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),放電產(chǎn)生的Li₂O₂存在周期性缺陷結(jié)構(gòu),該種缺陷造就了電極界面產(chǎn)生的過(guò)氧化鋰具有一定的導(dǎo)電性。該類微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為了進(jìn)一步研究鋰空電池Li₂O₂的可逆生成/分解,及其在電極/電解質(zhì)界面的分布規(guī)律提供重要的指導(dǎo)作用(Adv. Energy Mater., 10.1002/aenm.201400664)。

 此外,青島市海域遼闊,具有豐富的鈉資源,開發(fā)鈉基儲(chǔ)能電池是儲(chǔ)能院面向地方需求的重要任務(wù)。近日,董杉木博士帶領(lǐng)的研究小組在自支撐的硫化物電極表面原位電沉積包覆了導(dǎo)電高分子保護(hù)層,抑制了無(wú)機(jī)材料的體積膨脹,改善了材料的混合傳輸,并提升電極材料的界面穩(wěn)定性,較好地提升了電池的循環(huán)使用性能(Electrochemistry Communications (2015), pp. 24-27)。

 上述研究得到中科院納米先導(dǎo)計(jì)劃和重點(diǎn)部署項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等資助。

青島能源所在電池關(guān)鍵材料表界面研究中取得系列進(jìn)展