我校在纳米纤维复合固态电解质方面研究取得进展
发布人:蔡军  发布时间:2021-10-11   浏览次数:10


日,我校纺织科学与工程学院2019级博士生高鲁以第一作者在国际材料科学顶级期刊《Energy & Environmental Materials》(影响因子15.122)和《Energy Storage Materials》(影响因子17.789)分别发表题为“Optimized CeO2 nanowires with rich surface oxygen vacancies enable fast Li-ion conduction in composite polymer electrolytes”“Core-shell structure nanofibers-ceramic nanowires based composite electrolytes with high Li transference number for high-performance all-solid-state lithium metal batteries”的文章,我校新型纤维与非织造材料创新团队康卫民教授、邓南平博士、美国德克萨斯大学奥斯汀分校李玉涛教授、中国矿业大学刘瑞平教授为文章通讯作者。


  


近年来,随着电动汽车、便携式电子设备和智能电网等新能源技术的快速发展,人们对高安全、高能量密度的能源储存系统的需求也在日益增加。全固态锂电池,因使用电化学稳定性好、热稳定性优良的固态电解质替代液体电解质,可匹配锂金属负极和高压正极,被认为是发展下一代高能量密度锂电池系统的必经之路。然而,作为全固态锂电池的核心组件,兼具高室温离子电导率和无锂枝晶生长的可商用固态电解质仍未取得突破。


  


固态电解质主要分为聚合物电解质、无机电解质和有机无机复合电解质。有机无机复合电解质结合聚合物和无机的互补优势,利用无机与聚合物相之间的协同作用获得增强的离子导电性和稳定性。基于该思路下,从纳米纤维的化学改性和结构设计角度出发,分别制备出具有丰富表面氧空位的无机陶瓷纳米纤维和高锂离子迁移数的核壳结构电纺纳米纤维,并将二者与PEO基聚合物电解质复合构建纳米纤维复合全固态电解质。

该团队采用静电溶吹技术制备出具有大比表面积和丰富表面氧空位的钆(Gd)掺杂氧化铈(CeO2(GDC)纳米线,然后将其引入PEO聚合物电解质,表面氧空位有助于提升GDC纳米线与PEO聚合物电解质之间的相互作用,从而促进锂盐离解并增加全固态复合电解质中载流子浓度,该复合电解质在30oC下具有5×104Scm1的高锂离子电导率和0.47的锂离子迁移数,且与金属锂负极和高压LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC)正极具有优异的相容性,为全固态电池在高电流密度下提供稳定的循环。相关工作以“Optimized CeO2 nanowires with rich surface oxygen vacancies enable fast Li-ion conduction in composite polymer electrolytes”为题发表在《Energy & Environmental Materials》上。

在此基础上,该团队近一步开发了一种新型的具有核壳结构的聚偏二氟乙烯(PVDF-聚(环氧乙烷)(PEO)纳米纤维和GDC陶瓷纳米线共增强型复合电解质。所制备的核壳纳米纤维中的芯层 PVDF 可以为复合电解质提供强有力的机械支撑,同时壳层 PEO可为锂离子提供三维(3D)有序的传输通道。此外,GDC陶瓷纳米线的引入可以为锂离子提供长距离有序的迁移通道。优化后的复合电解质在30℃时具有2.3×104Scm1的高离子电导率、0.64的快速锂离子迁移数和高达10.8 MPa的高机械强度。此外,所组装的锂对称电池可以在0.10.20.4 mAhcm-2的不同容量下稳定循环,并且Li/NMC电池在0.5C条件下循环250次期间的库仑效率始终保持在99.2%左右,为全固态电解质的发展提供了新思路。相关成果以“Core-shell structure nanofibers-ceramic nanowires based composite electrolytes with high Li transference number for high-performance all-solid-state lithium metal batteries”为题发表在《Energy Storage Materials》上。

我校新型纤维与非织造材料创新团队长期从事纳微米纤维制备技术与基础应用研究,发明了树枝状纳米纤维膜和氟化多孔碳纳米纤维制备方法,开发了静电溶吹无机陶瓷纳米纤维制备技术,多项成果已转化应用。本项研究得到国家自然科学基金(批准号51973157, 61904123),天津市科技计划(19PTSYJC00010),天津市自然科学基金(18JCQNJC02900),天津市教委科研项目(2018KJ196)和中国博士后科学基金(2020T130469)资助。

 

论文链接:

1. L. Gao, N. Wu, N.P. Deng, J.X. Li, et al. Optimized CeO2 nanowires with rich surface oxygen vacancies enable fast Li-ion conduction in composite polymer electrolytes. Energy & Environmental Materials. (2021) DOI: 10.1002/eem2.12272.

2. L. Gao, S.B. Luo, J.X. Li, B.W. Cheng, et al. Core-shell structure nanofibers-ceramic nanowires based composite electrolytes with high Li transference number for high-performance all-solid-state lithium metal batteries. Energy Storage Materials. 43 (2021) 266-274.

(审稿:纺织科学与工程学院刘雍 编辑:宣传部李焕峰)

图片来源:纺织科学与工程学院