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填补空白！崔光磊研究员课题组最新EER|高能量密度三元锂电池聚合物电解质的研究进展和展望

已有 3833 次阅读 2019-6-24 14:54 |系统分类:科研笔记

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所 (Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences) 崔光磊研究员课题组在 Electrochemical Energy Reviews专业期刊发表了题为“Polymer Electrolytes for High Energy Density Ternary Cathode Material-Based Lithium Batteries”的综述文章，首次系统论述了高能量密度三元锂电池聚合物电解质的研究进展和未来发展方向，助力高能量密度聚合物三元锂电池在电动汽车等领域的研究与应用。

文章将发表于Electrochemical Energy Reviews期刊2019年第1卷第1期，详情请阅读全文，可免费获取。本文也在微信(ElectrochemicalEnergyReviews)、微博(ElectrochemicalEnergyReviews)、科学网博客（EEReditor）、Facebook等新媒体平台推出，请大家多关注和阅读。更可以关注EER Springer主页（https://www.springer.com/chemistry/electrochemistry/journal/41918）和上海大学期刊社网站EER主页（http://www.eer.shu.edu.cn）获取第一手的电化学评论资讯。

文章题目：Polymer Electrolytes for High Energy Density Ternary Cathode Material-Based Lithium Batteries

作者：Huanrui Zhang^#, Jianjun Zhang^#, Jun Ma, Gaojie Xu, Tiantian Dong and Guanglei Cui*

# 这些作者对该文章做出了等同的贡献。

关键词：锂离子电池·三元正极材料·全固态聚合物电解质·凝胶聚合物电解质

引用信息： Zhang, H., Zhang, J., Ma, J. et al. Electrochem. Energ. Rev. (2019). https://doi.org/10.1007/s41918-018-00027-x

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本综述亮点

（1）以目前商业化电动车采用的液态三元锂离子电池存在重大安全隐患为出发点，全面系统地揭示了商业化液态电解液存在的内在本征缺陷：安全问题、三元正极材料与电解液寄生性的界面副反应、锂枝晶形成以及严重的正负极间的化学穿梭等；

（2）首次提出了适用于高能量密度三元锂电池聚合物电解质的理想条件，并归纳总结了聚合物电解质的内在优势：高安全性、抑制三元正极材料过渡金属离子溶出、锂枝晶形成以及减少正负极间的化学穿梭等；

（3）总结归纳了三元锂电池聚合物电解质的研究进展，并提出了性能进一步提升的策略；

（4）展望了三元锂电池聚合物电解质的未来发展方向。

前言

当前，三元锂电池已经成功应用在电动汽车等领域，例如Tesla Modal S和Modal X电动车（均采用NCA型正极，能量密度约为170 Wh kg^-1），GM Chevy Bolt 电动车（NCM型正极，能量密度约为160 Wh kg^-1）等。然而，一些电动汽车如Tesla Modal S电动车发生了多起严重的火灾事故，为三元锂电池的广泛应用蒙上了一层阴影。这些安全事故的罪魁祸首就是易燃、易挥发、易泄漏的商业化电解液。商业化电解液除了具有安全隐患，还存在产生锂枝晶等问题。相对而言，聚合物电解质具有更高的安全性，非常适合作为商业化电解液的替代方案。目前，聚合物电解质在三元锂电池中的应用研究取得了一定的进展，许多聚合物材料如聚丙烯腈、聚丙烯酸酯等已被证明具有较好的电化学性能，但是目前材料的综合性能尚未满足商业化电动汽车用动力电池的苛刻要求。更令人“捉急”的是，目前并没有相关文献专门对三元锂电池聚合物电解质的研究进展进行论述。因此，总结和归纳聚合物电解质在三元锂电池中的研究现状和发展方向是十分必要的。这将十分有利于我们洞悉聚合物电解质的最新研究进展，进而指导开发具有更高安全性和更高能量密度的聚合物三元锂电池。

内容简介

Abstract

1. Introduction

2. Ideal requirements, inherent advantages and recent progresses of polymer electrolytes for TCM-based LBs

2.1 Polymers containing ethoxylated motifs

2.1.1 Polyoxyethylene

2.1.2 Polymers with a cross-linked network

2.1.3 Polymers containing ethoxylated sidechains

2.2 Polyacrylates

2.2.1 Polymethyl methacrylate

2.2.2 Polycyanoacrylate

2.2.3 Cross-linked polyacrylates

2.3 Polycarbonates

2.3.1 Poly(ethylene ether carbonate)

2.3.2 Polycyclic carbonate

2.4 Vinylidene fluoride-based polymers

2.4.1 Polvinylidene fluoride-hexafluoropropylene)

2.4.2 Poly(difluoroethylene-trifluoroethylene)

2.5 Polyacrylonitrile

2.6 Aromatic polymers

2.6.1 Polyimide

2.6.2 Polypyrrole

3. Conclusion and perspectives

本文首先介绍了聚合物电解质的理想条件；然后揭示了聚合物电解质用于三元锂电池的内在优势；接下来作者总结归纳了聚合物电解质的研究现状；最后，作者系统分析和展望了三元锂电池用聚合物电解质存在的问题以及未来发展趋势。

一、聚合物电解质的理想条件：

（1）高室温离子电导率：室温下，全固态聚合物电解质高于10^-4 S/cm，凝胶聚合物电解质高于10^-3 S cm^-1；

（2）较宽的电化学窗口：大于4.4 V；

（3）优越的机械强度；

（4）与电极间紧密的接触和较好的相容性；

（5）优良的热稳定性和化学稳定性；

（6）高锂离子迁移数。

二、聚合物电解质的内在优势：

（1）高安全性：聚合物电解质不存在电解液泄漏问题，因此，相对于液态电解液具有更高的安全性。

（2）有效抑制三元正极材料过渡金属离子溶出：聚合物电解质可以与正极材料紧密接触，构筑一道抑制正极材料与电解液副反应的“钢铁长城”，因此能够有效抑制因这类副反应导致的三元正极材料过渡金属离子的溶出，提高了负载电解液的氧化稳定性。

（3）抑制负极锂枝晶的形成：聚合物电解质可以实现均匀的锂沉积和溶解，较高机械强度的聚合物电解质也可以有效抑制锂枝晶的生长。

（4）降低正负极间的化学穿梭：例如，聚合物电解质含有大量的路易斯碱位点可以与过渡金属离子配位，阻止其穿梭到负极，从而提高了电池的电化学性能。

三、聚合物电解质的研究进展

本文总结归纳了聚环氧乙烷、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、偏氟乙烯基聚合物以及芳香类聚合物电解质在三元锂电池中研究进展，揭示了每种聚合物的优势、缺陷以及下一步改进的方法。

总结和展望

虽然聚合物电解质的性能尚未满足三元锂电池的应用要求，但是其距离未来广泛的实际应用并不遥远。本文作者以商业化三元锂电池采用液态电解液存在严重安全隐患为切入点，系统总结和评述了聚合物电解质的理想条件、内在优势、目前研究现状和存在问题、未来发展趋势等，助力聚合物三元锂电池的科学研究与产业化应用。

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