4V級高性能全固態(tài)柔性鋰聚合物電池

導讀：德國亥姆霍茲研究所Stefano Passerini教授與南洋理工大學Ze Xiang Shen教授（通訊作者）在Nano Energy期刊上發(fā)表題為“4-Volt Flexible All-Solid-State Lithium Polymer Batteries”的研究型論文。

在這項工作中，作者報道了一種由4V級LiNi1-xCo0.2MnxO2正極，鋰負極和PEO10-LiTFSI-PYR14TFSI2三元固態(tài)聚合物電解質(zhì)組成的柔性全固態(tài)金屬鋰聚合物電池。與LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2相比，富鎳的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正極復合材料表現(xiàn)出更穩(wěn)定的循環(huán)性能和倍率性能。

研究發(fā)現(xiàn)是由于其更均勻的顆粒分布使得電子和離子導電性提高，并且界面阻抗更小。作者通過系統(tǒng)的研究為4 V級富鎳NCM正極在實際鋰金屬聚合物電池中的應(yīng)用提供了有效的理論基礎(chǔ)。

研究亮點

1. 在室溫下就可以操作的無溶劑聚合物電解質(zhì)。

2. 聚合物電解質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)全固態(tài)，柔性鋰金屬電池。

3. 鋰金屬聚合物電池具有較高的抗機械損傷性能。

該文報道了以4 V級LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2或LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2為正極活性材料，交聯(lián)三元SPE(PEO10-LiTFSI-PYR14TFSI2)為固態(tài)聚合物電解質(zhì)，金屬鋰為負極的柔性全固態(tài)金屬鋰聚合物電池的研究。值得注意的是，即使在將電池彎曲成圓柱形并將其切割成幾個部分之后，軟包電池仍然可以為LED燈供電。

如上圖a1-a5所示的光學圖像充分證明了自支撐NCM復合正極的韌性和彈性。掃描電鏡(SEM)顯示在低放大率下表明活性物質(zhì)顆粒被很好地包裹到聚合物電解質(zhì)基質(zhì)中。

通過TGA和DSC測量研究了復合正極的熱性能。在N2氣氛下，424和622復合電極顯示出非常相似的兩步分解趨勢。然而，424和622在N2和O2氣氛中都表現(xiàn)出相當高的熱穩(wěn)定性，使得它們能夠通過熱擠壓進行生產(chǎn)。424和622復合電極都顯示非常相似的DSC曲線(圖c)，具有明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以及熔融和結(jié)晶峰。

為了進行電化學性能測試，電池在3.0-4.3 V的電壓范圍內(nèi)進行恒電流循環(huán)測試。兩種電池的初始庫侖效率相似，然而，隨著電流密度的增加，兩個電池都表現(xiàn)出容量的衰減，這是由于固態(tài)電解質(zhì)中Li+擴散較差導致的高度極化。在倍率性能測試后，當兩種電池在循環(huán)回到0.1 C時都會有一些容量的損失。

為了進一步研究電池的長期循環(huán)穩(wěn)定性，采用424和622電極的電池在0.1 C和0.3 C下循環(huán)100圈。在0.1 C時，觀察到424電極在循環(huán)時出現(xiàn)嚴重的容量衰減，導致100次循環(huán)后僅保留了初始容量的23.6%。此外，622電池表現(xiàn)出更穩(wěn)定的循環(huán)性能，容量保持率為63.9%。經(jīng)過100次循環(huán)后622電極的容量為100.1 mAh g-1，遠遠高于424電極的容量(34.5 mAh g-1)。622電極不僅提供了更高的容量，而且在100次循環(huán)后保留了69.2%的初始容量，從而實現(xiàn)了更好的循環(huán)穩(wěn)定性。

為了研究這種電池性能，對424和626正極組裝的電池進行了循環(huán)伏安測量。以相當?shù)偷膾呙杷俾?0.04 mV s-1)對電池進行50次伏安循環(huán)，并在每次循環(huán)后在放電狀態(tài)下測量它們的阻抗，以檢查循環(huán)時界面電阻的演變。從CV曲線可以看出，424電池出現(xiàn)了明顯的氧化還原峰位移。另一方面，622電池在循環(huán)時表現(xiàn)出非常高的可逆性。基于上圖呈現(xiàn)的EIS譜，注意到424和622電極都顯示出非常相似的阻抗響應(yīng)。然而，622電極的Ri在大約20個循環(huán)后穩(wěn)定，之后保持相當恒定。另一方面，在整個測量過程中，424電極的Ri不斷增加。因此，與622電極相比，424電極顯示出更高的界面電阻。

總結(jié)與展望

總之，采用富鎳NCM正極復合材料制備了柔性全固態(tài)鋰金屬聚合物電池。由于沒有有毒、易燃和揮發(fā)性液體有機電解質(zhì)，固態(tài)電池極大地提高了電池的安全性。此外，它的柔韌性滿足了即將到來的智能電子設(shè)備的需求。

通過對全鋰金屬聚合物電池的電化學性能的比較，揭示了錳在性能衰減中的可能作用機理。然而，盡管電池性能優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，但還需要進一步的研究才能使全固態(tài)柔性鋰聚合物電池達到所需的水平。

總結(jié)：以上就是鋰電池廠商格瑞普為大家?guī)淼?V級高性能全固態(tài)柔性鋰聚合物電池介紹。

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