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静电纺纤维助力锂金属电池实现高性能!

能源环保    2021-09-18 17:09

1.Chem. Eng. J.:兼具硬度和韧性的芯鞘结构纳米纤维隔膜用于锂金属电池

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天津工业大学康卫民&程博闻通过同轴静电纺丝技术创建兼具硬度和韧性的核-壳结构聚酰亚胺@氟化聚间苯二甲酰间苯二胺(PI@F-PMIA)纳米纤维隔膜。具有良好耐热性和断裂韧性的PI芯层可作为稳定且有力的骨架支撑。

凝胶F-PMIA壳层可以使PI@F-PMIA膜与电解质有更紧密的接触,进一步增强电解质的亲和力,从而提高离子传输能力。

通过使用功能化的PI@F-PMIA隔膜,可以获得良好的离子电导率和界面相容性,并且在2.0 mA·cm-2下的350小时内,相关的锂对称电池的电压产生了相对较小的变化。

组装好的基于PI@F-PMIA的锂金属电池具有出色的循环稳定性,在0.5C的速率下经过200次循环后,容量保持率为83.1%,库仑效率为99.7%,并具有优异的速率恢复能力。

DOI: 10.1016/j.cej.2020.126542

 

2. J. Energy Chem.:由分层结构聚酰胺6纳米纤维形成具有快速导电路径的高性能全固态聚合物电解质用于锂金属电池

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全固态电解质的利用被认为是增强锂金属电池安全性能的有效方法。但是,低离子电导率和较差的界面相容性极大地限制了全固态电池的发展。

研究了一种复合电解质,该电解质结合了具有分层结构的电纺聚酰胺6(PA6)纳米纤维膜和聚环氧乙烷(PEO)聚合物。PA6纳米纤维膜的引入可以有效降低聚合物的结晶度,从而提高电解质的离子电导率。

研究发现在分层结构PA6膜中细支链纤维的存在使极性官能团(C=O和N-H键)完全暴露,这为锂离子的传输提供了足够的功能位点,有助于调节锂金属的均匀沉积。

分层结构可以增强电解质的机械强度(9.2 MPa),从而有效提高电池的安全性和循环稳定性。所制备的Li/Li对称电池可在0.3 mA cm-2和60℃下稳定循环1500 h。

DOI: 10.1016/j.jechem.2020.06.035

 

3.  Nanoscale:3D聚丙烯腈纳米纤维和柔性聚二甲基硅氧烷大分子相结合的全固态复合电解质,用于高效锂金属电池

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一种复合聚合物电解质结合了聚丙烯腈(PAN)电纺纤维膜、柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)大分子和聚环氧乙烷(PEO)聚合物。引入具有高度柔性的分子链、超低玻璃化转变能量和高自由体积的PDMS有助于优化锂离子迁移路径,并改善电解质与电极之间的界面相容性。

PAN纳米纤维膜的纳米网络结构可以促进相邻聚合物分子链之间的相互作用,并改善复合电解质的机械性能,从而抑制锂枝晶的生长。

连续静置15天后,锂/锂对称电池和复合电解质的界面阻抗与初始状态相比没有显著变化,并且在0.3 mA cm-2的动态电流下,该电池可以保持1200小时的稳定循环而不会发生短路。

DOI:10.1039/D0NR04244G

 

4. J. Mater. Chem. A:用于全固态锂金属电池的陶瓷纳米纤维-聚合物复合电解质的化学相互作用和增强的界面离子传输

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报道了陶瓷纳米纤维与聚合物之间的协同作用,以及在固体陶瓷/聚合物复合电解质中沿纳米纤维/聚合物界面增强的界面锂离子输运,将其中的三维(3D)电纺铝掺杂Li0.33La0.557TiO3(LLTO)纳米纤维网络嵌入到聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)基质中。

LLTO/聚合物界面处磷酸锂的存在进一步增强了纳米纤维与聚合物之间的化学相互作用,促进了锂离子沿聚合物/纳米纤维界面的输运。这进而提高了纳米纤维/聚合物复合材料的离子导电性和电化学循环稳定性。

柔性LLTO/Li3PO4/聚合物复合电解质膜在室温下的离子电导率为5.1×10-4 S/cm,相对于Li/Li+的电化学稳定窗口为5.0 V。当持续时间超过800 h时,对称锂|电解质|锂半电池在0.5 mA/cm2的恒电流密度下显示出50 mV的低过电位。

将复合电解质夹在锂金属阳极和LiFePO4基阴极间,构成了一个全电池。这种全固态锂金属电池具有优异的循环性能和倍率性能。

DOI:110.1039/C9TA12495K

 

5. Chem. Eng. J.:设计根-土状聚氧化乙烯基复合电解质用于无枝晶长循环全固态锂金属电池

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本研究将具有多层结构的聚偏二氟乙烯(PVDF)纳米纤维电纺膜作为纳米聚合物填料引入到聚氧化乙烯(PEO)聚合物中,构建了一种全固态根-土状复合电解质。

膜中粗纤维与细纤维的相互重叠为电解质提供了强有力的骨架支撑,PVDF与PEO之间的分子间氢键进一步增强了膜与聚合物之间的界面相互作用,从而使根-土状复合电解质具有优异的机械强度,可抑制锂枝晶的生长。

膜中多层结构的存在可以显著降低聚合物的结晶度,为Li+离子提供更多的传输通道,从而使Li+离子在镀/剥过程中能够快速、均匀地沉积,并且可以有效地提高锂阳极与电解质之间的界面相容性。

锂对称电池的电压值可以在0.3 mA cm-2下稳定在70 mV并持续1000 h。而且,Li|LiFePO4电池在1 C下循环600次后,放电容量衰减率仅为0.04%。

DOI:10.1016/j.cej.2020.124478

 

6.J. Mater. Chem. A:通过电纺锂磺化聚醚醚酮单离子导电纳米纤维膜有效抑制锂枝晶生长

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设计了一种基于高度多孔锂磺化聚醚醚酮电纺纳米纤维膜(es-LiSPCE)的低成本单锂离子导电聚合物电解质膜,该膜既可作为隔膜又可作为锂离子导体。

EC/PC(v/v=1:1)中浸渍碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(v/v=1:1)溶剂混合物和1 M LiP6,分别在EC/PC(v/v=1:1)膜中产生凝胶纯es-LiSPCE和es-LiSPCE/1 M LiP6,其显示出高离子导电性、低界面相容性和高锂离子迁移率。

全芳香聚醚醚酮主链可实现高的热尺寸稳定性和高极性,而高极性可实现es-LiSPCE膜的快速电解质润湿。

使用es-LiSPCE膜制备的Li/LiFePO4电池在6C时表现出很好的倍率容量,即使在6C时,在1500次循环期间仍具有良好的电化学稳定性。

DOI: 10.1039/c9ta12783f