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文檔簡介
固體電解質材料應用于固態電池體系中的關鍵問題和應對方案郭向欣單位:青島大學聯系方法:演講提綱SolidLithiumBatteries(SLB)FeaturesandadvantagesHigh-V&large-capacitycathodesLi-richanodesSolidLithiumBatteries:developmentroadmapReductionReductionofliquidcontentbyintroductionofsolidelectrolytes液態凝膠液態凝膠半固態準固態全固態25%10%5%0%ReducedReducedthicknessofsolidelectrolytes5050Ωcm230Ωcm220Ωcm2<10Ωcm2HighHigh-capacityanodeswithstablesolidelectrolyteinterphaselayer石墨石墨預鋰化石墨/硅碳鋰金屬0%30%50%100%6mAh/cm2400Wh/kg4mAh/cm2300Wh/kg>7mAh/cm2500Wh6mAh/cm2400Wh/kg4mAh/cm2300Wh/kg>7mAh/cm2500Wh/kg2mhA/cm2270Wh/kgResearchesinSolidGuogroupinQingdao氧化物鹵化物硫化物陶瓷片有機無機復合膜微型紐扣大容量軟包風光儲新能源汽車趙寧畢志杰賈夢洋翟朋博固體電解質材料:各有所長、各有所短關鍵問題:在固態電池體系中考察固體電解質材料的構型、表面特性設計和優化Keymaterials:solidstateelectrolytesHigh-mass-loadingcathodes(NMCorLFP)withsolid-electrolytecoatingormixingReducedthicknessofsolidelectrolytesHigh-capacityanodeswithstablesolidelectrolyteinterphaselayerMulti-scalephysical,chemicalandelectrochemicalinterfaces畢志杰Z.J.Bi,X.X.Guo*,Solidificationforsolid-statelithiumbatterieswithhighenergydensityandlongcyclelife.EnergyMater.2(2022)200011畢志杰CriticalInterfacialissuesSummaryofinterfacesN.Zhao,X.X.Guo*,L.-Z.Fan*,C.-W.Nan*etal.,Joule,3(2019)1-10.趙寧翟朋博翟朋博,郭向欣等,鋰鑭鋯氧(LLZO)基固態鋰電池界面關鍵問題研究進展,儲能科學與技術11(9):284(2022)鋰鑭鋯氧固體電解質粉體的關鍵問題和解決方案KeypointI:SurfaceLi2CO3ofLLZOHanyuHuo,X.XGuo*,X.L.Sun*etal.,Li2CO3effects:Newinsightsintopolymer/garnetelectrolytesfordendrite-freesolidlithiumbatteries,NanoEnergy73(2020)104836.H.Y.Huo,V.T.,X.X.Guo*,C.-W.Nan*,X.L.Sun*etal.,Li2CO3:ACriticalIssuefor霍翰宇DevelopingSolidGarnetBatteries,ACSEnergyLett.5(2020)252-262.SurfacepropertiesofLLZOelectrolytesMorphologyandamountofLi2CO3onsurfacesX.F.WangandX.X.Guoetal.,ComparativeStudyofStabilityagainstMoistureforSolidGarnetElectrolyteswithDifferentDopants.Energies2022,15,3206./10.3390/en15093206SolutionforsurfaceLi2CO3contaminationM.Y.Jia,X.X.Guo*,Air-stabledopamine-treatedgarnetceramicparticlesforhigh-performancecompositeelectrolytes,J.PowerSources,486(2021)229363賈夢洋SolutionforsurfaceLi2CO3contaminationH.Y.Huo,N.Zhao,X.X.Guo*,X.L.Sun*etal.,In-situformedLi2CO3-freegarnet/Liinterfacebyrapidacidtreatmentfordendrite-freesolid-statebatteries,NanoEnergy61(2019)119-125.completelyremovesurfaceLi2CO3withoutdestroyingphasestructure霍瀚宇趙寧SolutionforsurfaceLi2CO3contaminationZJBi&XXGuoetal.,MoltenSaltDrivenConversionReactionEnablingLithiophilicandAir-StableGarnetSurfaceforSolid-StateLithiumBatteries,Adv.Funct.Mater.2022,2208751畢志杰鋰鑭鋯氧基電解質層與鋰金屬負極、正極在電池體系中的界面設計制備與性能優化LLZO陶瓷片電解質和電池LCONCMLFPLCONCMLFPLCOLFP622LCOLFP622Joule2(2018)1J.PowerSourcesJoule2(2018)1NanoEnergyCEJ387(2020)124089J.Inorg.Mater.(2018)CEJ424(2021)130423LLZTOagainstLiLi金屬負極的貫穿室溫最大臨界電流密度大部分小于1mA/cm2(體相材料致密度、測試溫度和鋰剝離和沉積的量不一致)W.L.Huang,N.Zhao*,X.X.Guo*,L.-Z.Fan,C.-W.Nan*etal.,CanwefindsolutiontoeliminateLipenetrationthroughsolidgarnetelectrolytes?MaterialsTodayNano10(2020)100075黃煒麟趙寧Li金屬貫通LLZO陶瓷片電解質的理論研究Li金屬成核和生長的理論研究鋰金屬貫穿陶瓷電解質的兩要素:電場:局部過電勢JianGao,JianxunZhu,XiaoleiLi,Zhou,RationalDesignofMixedLi7La3Zr2O12forLithiuLi/LLZOinterfaces構建三維離子電子混合導電中間層解決Li金屬在LLZO陶瓷電解質中的生成mixedconductivegarnet/Liinterfacefordendrite-freesolidlithiummetalbatteries,EnergyEnviron.Sci.13(2020)127.霍瀚宇趙寧構建三維離子電子混合導電界面原始LLZTO可觀察到沿陶瓷晶界貫通的鋰金屬,而具有混合電導界面的LLZTO在0.5mA/cm2電流密度下穩定循環400hSun*etal.,Designofamixedclithiummetalbatteries,EnergyEn13(2020)127.Li/LLZOinterfaces:insulatingthinpolymerIL構建柔性電子絕緣高離子導通中間層解決鋰金屬在LLZO陶瓷電解質中的生長界面潤濕性合金或轉化反應界面基于取代反應的柔基于取代反應的柔性聚合物界面優異的柔韌性聚合物界面聚合物界面(PEO(LiTFSI))+界面傳輸困難緩解界面應力離子/電子界面傳輸模型NatureCommunicationsElectrolytesagainstcathodes:garnetcoated正極表面包覆garnet納米顆粒Z.J.Bi,C.S.Wang*,X.X.Guo*etal.,Chem.Eng.J.,387(2020)124089;Z.J.Bi,XiangxinGuo*etal.,J.Mater.Chem.A,8(2020)4252-4256.雙管齊下:正極表面包覆LLZO納米顆粒和構筑類LiPON正極電解質界面LCOorLMO/LLZTO/Li電池循定循環100圈以上,容量保持率80%以上畢志杰Electrolytesagainstcathodes:polymercoated正極表面包覆離子電子雙導電聚合物:PANI-PEG實現正極內部離子電子導電網絡的構建促進CEI層的穩定形成M.Y.Jia,X.X.Guo*etal.,Ionic-electronicDual-conductivePolymerModifiedLiCoO2CathodesforSolidLithiumBatteries,Chem.Commun.,2022,AcceptedLCO電池循定循環200圈以上,容量保持率91.8%.賈夢洋Li/LLZOinterfaces:in-situreactedIL原位反應界面減小界面電阻醚類電解質原位分解為梯度中間相:勻電場,抑制鋰枝晶的有機柔性層--維持穩定的界面接觸穩定性高陰離子基團原位分解為子傳輸W.L.Huang,Z.J.Bi*,黃瑋麟XiangxinGuo*etal.,Chem.Eng.J.,424(2021)130423黃瑋麟PEO/nano-LLZTOmembranes1.借助滲流效應提高電解質膜離子電導率:improvementofconductivitythroughpe粉體粒度逐漸減小粉體粒度逐漸減小J.Zhang,N.Zhao,P.K.Chu,X.X.Guo*,Z.F.Di*,X.Wang,H.Lietal.,FlexibleandIon-張靜嫻張靜嫻趙寧Electrolytes…,NanoEnergy28(2016)447–454.趙寧PEO/LLZTO(Li2CO3-free)membranesLLZOwithandwithoutLi2CO3(a)Li+mobilityandconductivityincrease(b)Electrochemicalwindowincreasedto5VHanyuHuo,X.XGuo*,X.L.Sun*etal.,Li2CO3effects:Newinsightsintopolymer/garnetelectrolytesfordendrite-freesolidlithiumbatteries,NanoEnergy73(2020)104836.(c)Transfernumberincreasedto0.5anddendritedepressedConstructionofcompositemembraneswithvaried-sizeparticles2.借助固體粉體尺度的調控實現柔性膜兼顧抑制鋰枝晶和界面相容性Multifunction:dendritedepression,improveinterfacecompatibilityH.Y.Huo,X.X.Guo*,X.L.Sun*etal,RationalDesignofHierarchical"Ceramic-in-Polymer"and"Polymer-in-Ceramic"ElectrolytesforDendrite-FreeSolid-StateBatteries,AdvancedEnergyMaterials9(2019)1804004.霍瀚宇Constructionofcompositemembraneswithvaried-compositionparticles借助單層膜成分的調控實現柔性膜兼顧耐高電壓和對金屬鋰穩定Doublelayers:standhighvoltageanddendritedepressionS.Mu,Z.J.Bi*,X.X.Guo*etal.,Heterogeneouselectrolytemembranesenablingdouble-sidestableinterfacesforsolidlithiumbatteries,JournalofEnergyChemistry60(2021)162-168.穆爽畢志杰PPC:LLZTOmembranes填料表面修飾實現化學穩定、電化學性能優異的柔性膜Surfacecoating:chemicalstableandgreatchemicalpropertiesM.Y.Jia,N.Zhao,Z.J.Bi,Z.Q.Fu,F.F.Xu,C.Shi*,X.X.Guo*,Polydopaminecoatedgarnetparticleshomogeneouslydistributinginpoly(propylenecarbonate)sforconductiveandstablemembraneelectrolytesofsolidlithiumbatteries.ACSAppl.Mater.Interfaces,2020,12(41):46162–46169.賈夢洋ModificationofSPEmembraneswith2Dmaterials借助氟化石墨烯構筑穩定SEI和CEI,使柔性膜兼顧對金屬鋰和高壓正極穩定2Dfluorinatedgraphene:LiF-richSEI,dendritedepression,electrochemicallystableCEI,standhighvoltageP.BZhai,X.X.Guo*,Y.J.Gong*etal.,Two-dimensionalFluorinatedGrapheneReinforcedSolidPolymerElectr
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