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BN能改善锂金属电池的电化学和安全性

作者:欧亿体育官网在线入口 时间:2022-08-25 00:06
本文摘要:锂金属电池(LMB)用于金属锂(Li)作为负极,具备最低的理论比容量(3860mAh/g)和低于的水解还原成电位(-3.04Vvs.标准氢电极),作为电动汽车和储能系统中常规锂离子电池(LIB)最有前景的替代品已受到相当大的注目。然而,LMB在实际应用于中受到一些容许,如在反复差使/放电过程中Li枝晶以不高效率的方式构成和生长,造成循环寿命短和相当严重的安全性问题,还包括电池的内部短路和热失控。

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锂金属电池(LMB)用于金属锂(Li)作为负极,具备最低的理论比容量(3860mAh/g)和低于的水解还原成电位(-3.04Vvs.标准氢电极),作为电动汽车和储能系统中常规锂离子电池(LIB)最有前景的替代品已受到相当大的注目。然而,LMB在实际应用于中受到一些容许,如在反复差使/放电过程中Li枝晶以不高效率的方式构成和生长,造成循环寿命短和相当严重的安全性问题,还包括电池的内部短路和热失控。掌控锂枝晶一般来说有几种策略,还包括通过电解液添加剂原位构成平稳的液体电解质界面层(SEI膜)或自修缮静电屏蔽,Li负极的原位维护涂层以及高模量和低锂离子迁入数(tLi+)液体电解质的应用于。一般来说,解读诱导锂枝晶有两个主要理论框架。

一种是电解质的高离子电导率和较高的tLi+可以通过减低Li电极附近的阴离子消耗所致的大电场来诱导锂枝晶的温度梯度;另一种是用于低剪切模量的电解质(大约为Li金属的两倍)机械诱导Li枝晶的生长。基于这些理论框架,用于具备高模量和低tLi+的液体电解质被指出是最有期望的方法之一。然而液体聚合物电解质在室温下的离子电导率严重不足以及液体陶瓷电解质的制取更为艰难是其固有的缺点。

尽管凝胶聚合物电解质(GPE)制取更为更容易,而且具备低的离子电导率和出色的电化学性能可以解决问题这些问题。然而大多数情况下必须引进SiO2、Al2O3和TiO2等无机填料机械地挡住Li枝晶的生长,同时也壮烈牺牲了离子电导率。目前还没报导通过少量加到(1wt%)无机填料同时符合大部分所须要性质(低的离子电导率,低tLi+和低剪切模量)的诱导Li枝晶的GPE的制取。

针对凝胶电解质不存在的问题,韩国釜山大学的Jong-ChanLee和韩国化学技术研究所的Dong-GyunKim首次报导了用于全氟聚醚(PFPE)官能简化的2D氮化硼(BN)纳米片(BNNF)作为多功能添加剂制取诱导Li枝晶的GPE的非常简单有效地策略。即使将PFPE官能简化的BNNF重新加入到GPE中的大于加到量(0.5wt%)也可以获取低离子电导率,低tLi+和低机械模量,这都有助有效地诱导Li枝晶,提高LMB的电化学性能和安全性性能。图1.具备FBN添加剂的PVH基GPE的制取(G-CFBN)。

(a)G-CFBN的制取过程示意图,(b)CFBN的照片(0.5wt%FBN),(c)CNFB的(0.5wt%FBN)表面(左)和横截面SEM图(右),和(d)通过FBN诱导相分离CFBN自发性构成孔隙的有可能机理。用于锂金属负极和LiFePO4(LFB)评价G-CFBN在LMBs中的实际应用于。

与Li/LE-Celgard(商业隔膜)/LFP电池,Li/G-CFBN/LFB电池展现出出有出色的倍率性能,特别是在在5C的高倍率下,这主要归因于于G-CFBN的高离子导电亲率和tLi+。对于在1C下的长年循环性能,Li/G-CFBN/LFB电池循环300圈后的容量维持亲率(88%)显著低于Li/LE-Celgard/LFP电池(74%)。在循环后拆除电池找到,具备G-CFBN的电池的Li金属表面表明出有多孔但平滑的形态,而具备LE-Celgard的电池的Li金属表面表明出大的裂纹和坚硬的针孔,指出G-CFBN中锂枝晶的生长获得相当大的诱导。

值得注意的是,Li/G-CFBN/LFB电池在10C的高倍率下仍表明出有出色的循环性能,与文献中其它报导比起,这可以被指出是前所未有的高倍率长年循环性能。图2.锂/电解液/磷酸铁锂电池在25℃下循环的电化学性能,电解液为G-CFBN和LE-Celgard。

(a)电池在有所不同倍率下的倍率性能和适当的电压容量曲线所含(b)G-CFBN和(c)LE-Celgard,(d)在1C下电池的长年循环性能和(e)在10C下含G-CFBN的电池长年循环性能。G-CFBN的制取:通过成像处置辅助挤压和用于PFPE官能简化的芘分子非共价官能化纳米尺寸的BN粉末制取PFPE官能简化的BNNF(FBN),减少其表面积和与P(VdF-co-HFB)(PVH)GPE基底的相容性。

即使挤压和PFPE功能化后(≈4.7wt%),FBN仍可以维持2D形态,其厚度约为3-4nm。通过在玻璃板上的丙酮中非常简单流延铸铁PVH和FBN的混合物制取复合膜(CFBN),其中掌控FBN的含量为PVH的0.1,0.2,0.5和1.0wt%。在大气环境中潮湿,然后在60℃真空下潮湿,获得厚度为6-9μm的多孔CFBN,更进一步浸泡电解液(1MLiTFSI,EC:DEC(1:1vol%)中制取GPE(G-CFBN)。


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