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连教授应邀参加“第三届新型电池电解质/隔膜材料技术国际论坛”并做学术报告

发表时间：2017-10-24 02:39作者：

2017年10月18日-19日，由中国化学与物理电源行业协会，中国电子科技集团公司第十八研究所共同主办，北京中涂国际会展有限公司承办，上海恩捷新材料科技股份有限公司、深圳市新嘉拓自动化技术有限公司、广州红运机械冠名的两年一届的 “第三届新型电池电解质/隔膜材料技术国际论坛”（ABESF-3）在南京举行。

连芳教授应邀参加，并在“下一代先进电池新颖电解质材料研究进展”分论坛上做了“新型聚乙烯醇缩醛基固态聚合物电解质及其室温电导率提升技术”的主题报告。

固态电池有望解决于电池的安全问题，同时提高电池的能量密度。近期，国内外在固态电解质的研究上取得了很大的进展，体系的离子电导率显著提升，界面的问题也得到高度的关注。但是在发展固态电池的过程中还存在很多困难，比如，为了在固态的条件下保持整个体系顺畅的锂离子迁移通道，往往固态电解质层比较厚、达到几十个微米，电极的厚度只有十几个微米，因此目前固态电池能量密度的提高还非常有限。电解质界面的离子激活能大、随循环电极材料体积变化导致与电解质接触变差、以及副反应累积造成的界面层变厚等问题带来的固态电池界面电阻迅速增大，循环寿命远远低于我们的期望。

在分析和解决关键问题的同时，我们也要看到固态电池发展的希望。国内的第一代固态二次锂离子电池样品在1990年面世，由中科院物理研究所、北京科技大学、长春应化所完成。当时使用的就是聚合物电解质，在发挥其很好的加工性能等优势的同时，需要继续关注提高其室温电导率，拓宽电化学窗口，提高抗拉强度和抗刺穿能力等。在我的报告里面要提出一个没有被充分重视的体系，单离子导体。一般电解质都是双离子导体，而且在离子流中80%以上都是阴离子，同时锂离子的迁移比阴离子要困难的多，因此离子浓差极化严重。我们通过锂单离子导体电解质的设计解决这个问题。即把阴离子束缚在聚合物上，体系中唯一迁移的就是锂离子。从效果上看，锂单离子导体电解质的锂离子迁移数已经接近于1，但目前报道的室温电导率在数量级仍在10-6S/cm。

我们通过锂离子单离子导体的研究，总结提升聚合物电解质电导率的关键技术，供大家讨论。第一，研究发现锂离子源中聚阴离子基团与锂离子解离程度直接相关。优化聚阴离子基团提高负电荷的离域化作用，降低锂离子的解离能，聚合物电解质体系的电导率显著提升。例如使用磺酸基替代羧酸基等。同时可以通过聚阴离子的变化从而改变锂盐的浓度。第二，聚合物主链、侧链以及共聚物的结构直接决定了锂离子的迁移能力。可以通过一些共聚共混的办法改变主链和侧链，构建聚合物柔性链段，提高锂离子迁移能力。第三，拓展聚合物体系。例如燃料电池的全氟磺酸的Nafion膜，通过锂化发挥该聚合物的性能优势，提高锂离子的迁移能力。

大家对聚乙烯醇缩醛可能不熟悉，与其相关的一个工业名称是“维纶”，由于是做衣服的面料，证明是环保的、安全的。这个体系具有非常好的成膜性，而且性能调节灵活，可根据要求制备出不同特点的薄膜。我们设计的第一代的聚乙烯醇缩醛固态电解质，从数据可以看到其热稳定性和化学结构稳定性优异、抗氧化电位高于5V。但第一代PVFM电解质电导率10-6S/cm还是没有达到理想水平。结合我们前面所讲到的规律对该体系进行了设计优化。可以从性能测试结果上看出，体系中析出的晶体杂质被去除，薄膜中出现的褶皱并不是物质偏析，而是聚合物相互挤压产生的，释放了残余应力，有利于聚合物强度和尺寸稳定性的提高。体系的室温电导率提升到了10-4S/cm，同时锂离子迁移数0.81%。并且我们制备了一个对照样品，在PVFM固态聚合物薄膜中滴加一些液态电解质，体系室温的电导率明显下降，而且锂离子迁移数降低到0.5，这就验证了我们制备的PVFM固态聚合物薄膜的确是一个锂离子的单离子导体，它的室温电导率还有继续提升的潜力。