连芳团队在锂单离子导体固体电解质的研究方面取得重要进展
发表时间：2016-12-26 15:44
固体电解质是电解质材料的一个重要种类，利用固体电解质组装全固态电池是解决锂离子电池安全性差，能量密度低等问题的有效方法。但传统的固态电解质以及有机电解液体系都是双离子导体，即伴随充放电过程阳离子（如Li+)和阴离子都发生迁移，这种情况下锂离子迁移数比较低，仅在0.2-0.5之间，有的甚至小于0.1。在充电过程中，阴离子在正极附近富集，同时阴离子在负极附近的浓度极低，阴离子的浓差极化抵消了部分电势，增加了电池内阻，阻碍了在充放电过程中锂离子的扩散。尤其，在富集层中阴离子的浓度非常高，具有一定反应活性，可以促进或者直接参与电化学副反应，最终影响了能量转换和储存器件-电池的大电流充电效率、寿命和能量密度。
通过共价键将锂盐的阴离子键合到高分子主链或侧链上，这样由于阴离子分子量和体积巨大而迁移困难，从而实现锂离子迁移数接近1，因此单离子导体固体电解质不受循环过程中电极/电解质界面处形成的高或低盐浓度的电势阻挡层的影响，可以解决以上双离子导体电解质体系内部极化问题。但目前单离子导体固体电解质的室温电导率基本≤10-6S/cm，亟待进一步提高达到实用要求。
固体电解质的电导率取决于载流子/锂离子浓度和锂离子迁移率，其中锂离子迁移率与聚合物源中聚阴离子基团种类与锂离子解离的难易程度有关。硼原子与氮和硫原子相比具有更低的电负性，电荷更易离域，有助于形成弱配位阴离子。连芳团队在发明专利[ZL201310302904.5]中设计的聚乙烯醇缩醛为主链共聚硼的聚电解质的室温电导率最高达到1.54×10-5 S/cm，已成为目前最具发展潜力的固态电解质体系之一。
最近连芳团队的研究取得重要进展，将聚乙烯醇缩醛基固态电解质的综合性能提高到一个新的高度。聚乙烯醇缩醛基锂单导体固体电解质，厚度20-50μm，室温电导率≥10-4S/cm，具有接近于1的锂离子迁移数，电化学稳定窗口≥6V(vs. Li/Li+)，而且抗拉伸强度≥35MPa，已经通过与高电压正极以及金属锂负极相容性的实验验证。