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-PYR14TFSI2三元固態聚合物電解質組成的柔性全固態金屬鋰聚合物(wu)電池。與LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2相比，富鎳(nie)的(de)LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正極復合材料表現出更穩定的(de)循環性(xing)能(neng)和倍(bei)率性(xing)能(neng)。

研究發現是由(you)于其(qi)更(geng)均勻的(de)顆(ke)粒分(fen)布使得電(dian)子和離子導(dao)電(dian)性(xing)提高，并且界面阻抗更(geng)小。作者通過系統的(de)研究為4 V級(ji)富鎳NCM正(zheng)極在實際鋰金(jin)屬聚(ju)合(he)物(wu)電(dian)池(chi)中(zhong)的(de)應用提供了有效的(de)理論基礎。

研究亮點

1. 在室溫下就可以操作的無(wu)溶劑聚合物(wu)電解質。

2. 聚(ju)合(he)物電解(jie)質能(neng)夠實現全固(gu)態(tai)，柔(rou)性鋰(li)金屬電池。

3. 鋰金屬聚合物電池具有(you)較(jiao)高的抗機械(xie)損傷性能。

該文(wen)報(bao)道了以4 V級(ji)LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2或LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2為正(zheng)極活性材料，交(jiao)聯三元SPE(PEO10-LiTFSI-PYR14TFSI2)為固態聚合物電(dian)解質，金屬鋰為負極的柔(rou)性全(quan)固態金屬鋰聚合物電(dian)池的研究。值得注意的是，即(ji)使(shi)在將電(dian)池彎曲成圓柱形并(bing)將其(qi)切(qie)割成幾個(ge)部分(fen)之后，軟(ruan)包電(dian)池仍然可以為LED燈供(gong)電(dian)。

如上圖(tu)a1-a5所示的光學圖(tu)像充分證明了自支撐NCM復合正極的韌性和彈性。掃(sao)描電鏡(SEM)顯(xian)示在低放大率下表明活性物質顆粒被(bei)很(hen)好地包裹到聚合物電解(jie)質基質中(zhong)。

通(tong)過TGA和DSC測量(liang)研究了復(fu)合正極(ji)(ji)的(de)熱(re)性能。在N2氣氛(fen)下，424和622復(fu)合電極(ji)(ji)顯示出(chu)非(fei)常相似的(de)兩步分(fen)解(jie)趨勢。然而，424和622在N2和O2氣氛(fen)中都(dou)表現出(chu)相當高的(de)熱(re)穩定性，使得它們能夠(gou)通(tong)過熱(re)擠壓進行生產。424和622復(fu)合電極(ji)(ji)都(dou)顯示非(fei)常相似的(de)DSC曲線(xian)(圖c)，具有明顯的(de)玻璃化轉變溫度(Tg)以及熔融和結晶峰。

為了進行電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學性能測(ce)試，電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)在(zai)3.0-4.3 V的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)范圍內(nei)進行恒電(dian)(dian)(dian)(dian)流循環(huan)測(ce)試。兩(liang)(liang)種電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)初始庫侖(lun)效率(lv)相(xiang)似，然而，隨著(zhu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流密(mi)度的(de)增(zeng)加(jia)，兩(liang)(liang)個電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)都表現出容量(liang)的(de)衰減(jian)，這是由于固態電(dian)(dian)(dian)(dian)解質中Li+擴散較(jiao)差導致的(de)高度極化(hua)。在(zai)倍率(lv)性能測(ce)試后，當(dang)兩(liang)(liang)種電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)在(zai)循環(huan)回到(dao)0.1 C時都會有一(yi)些容量(liang)的(de)損失。

為了進(jin)一步(bu)研究電(dian)池的(de)(de)長期循(xun)環(huan)穩(wen)定(ding)性，采用424和(he)622電(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)電(dian)池在(zai)0.1 C和(he)0.3 C下(xia)循(xun)環(huan)100圈(quan)。在(zai)0.1 C時，觀(guan)察到424電(dian)極(ji)(ji)在(zai)循(xun)環(huan)時出(chu)現嚴(yan)重的(de)(de)容(rong)量衰減(jian)，導致100次(ci)循(xun)環(huan)后(hou)僅保(bao)留了初始容(rong)量的(de)(de)23.6%。此外，622電(dian)池表現出(chu)更穩(wen)定(ding)的(de)(de)循(xun)環(huan)性能，容(rong)量保(bao)持率為63.9%。經過100次(ci)循(xun)環(huan)后(hou)622電(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)容(rong)量為100.1 mAh g-1，遠遠高于424電(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)容(rong)量(34.5 mAh g-1)。622電(dian)極(ji)(ji)不僅提(ti)供了更高的(de)(de)容(rong)量，而(er)且在(zai)100次(ci)循(xun)環(huan)后(hou)保(bao)留了69.2%的(de)(de)初始容(rong)量，從而(er)實現了更好的(de)(de)循(xun)環(huan)穩(wen)定(ding)性。

為(wei)了研究這(zhe)種電(dian)(dian)(dian)池(chi)性能，對424和626正極(ji)(ji)(ji)組裝(zhuang)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)進(jin)(jin)行(xing)了循(xun)環(huan)伏安測(ce)量(liang)。以(yi)相當(dang)(dang)低的(de)(de)(de)掃描速率(0.04 mV s-1)對電(dian)(dian)(dian)池(chi)進(jin)(jin)行(xing)50次伏安循(xun)環(huan)，并在(zai)(zai)每次循(xun)環(huan)后(hou)在(zai)(zai)放電(dian)(dian)(dian)狀態下測(ce)量(liang)它們的(de)(de)(de)阻(zu)(zu)抗，以(yi)檢查循(xun)環(huan)時界面(mian)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)的(de)(de)(de)演變。從(cong)CV曲線可以(yi)看出(chu)，424電(dian)(dian)(dian)池(chi)出(chu)現了明顯的(de)(de)(de)氧(yang)化還原峰位移。另(ling)一(yi)方面(mian)，622電(dian)(dian)(dian)池(chi)在(zai)(zai)循(xun)環(huan)時表(biao)現出(chu)非(fei)(fei)常高的(de)(de)(de)可逆性。基于(yu)上圖呈現的(de)(de)(de)EIS譜，注意到424和622電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)都顯示(shi)出(chu)非(fei)(fei)常相似的(de)(de)(de)阻(zu)(zu)抗響應。然而，622電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)Ri在(zai)(zai)大約(yue)20個(ge)(ge)循(xun)環(huan)后(hou)穩定(ding)，之后(hou)保持(chi)相當(dang)(dang)恒定(ding)。另(ling)一(yi)方面(mian)，在(zai)(zai)整個(ge)(ge)測(ce)量(liang)過程中，424電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)Ri不斷增(zeng)加。因此，與622電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)相比，424電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)顯示(shi)出(chu)更(geng)高的(de)(de)(de)界面(mian)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)。

總結與展望

總之，采用富鎳NCM正極復(fu)合材料制備(bei)了柔性全(quan)固(gu)態鋰金屬聚合物電(dian)池。由于沒有有毒、易燃和(he)揮發性液(ye)體有機電(dian)解質，固(gu)態電(dian)池極大(da)地提高了電(dian)池的(de)安全(quan)性。此(ci)外，它的(de)柔韌性滿(man)足了即將到來的(de)智(zhi)能電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)需求。

通過對(dui)全鋰金屬聚(ju)合物電(dian)(dian)池(chi)的(de)電(dian)(dian)化學性能(neng)的(de)比(bi)較，揭示了錳在性能(neng)衰(shuai)減中的(de)可(ke)能(neng)作用機(ji)理。然(ran)而，盡(jin)管(guan)電(dian)(dian)池(chi)性能(neng)優于(yu)現有技術，但還需要進一步的(de)研究(jiu)才能(neng)使全固(gu)態(tai)柔性鋰聚(ju)合物電(dian)(dian)池(chi)達到所需的(de)水(shui)平。

總結：以上就是鋰(li)電(dian)池廠商格瑞(rui)普為大家帶來的4V級高性能全固態柔性鋰聚合物電池介紹。

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