柔性全固态锂离子电池研究

All-solid-state batteries are superior to their liquid counterparts, since they often avoid the possible leakage of harmful electrolyte and usage of package materials. Furthermore, flexible batteries free of inactive components (metal substrate, binder, and carbon black) and with high energy and power density represent indispensable components of flexible electronics, such as wearable electronics and implantable medical devices. However, it is great challenge to fabricate flexible power sources due to the lack of reliable materials that combine electronically superior conductivity and mechanical flexibility as well as high stability in electrochemical environments. Moreover, the solid-state electrolytes enable the fabrication of thin and flexible batteries. To construct a flexible thin-film all-solid-state LIB, it is necessary to fabricate all components such as anode, electrolyte, and cathode materials into multilayered films with good structural integrity using appropriate technologies. The growth of solid electrolyte films with desired structure is one of the key steps to ensure high ionic conductivity and controllable interfaces. The main goal of this project is to solve some fundamental science and technology issues of rechargeable flexible all-solid-state batteries and pave the way for practical applications of flexible all-solid-state batteries with high performance and long life. One innovation point of this project lies in developing flexible electrodes, e.g. oxide nanowires/graphene composite paper-like substrate. Another innovation point is to deposit thin film electrolyte on the flexible electrode substrates. Furthermore, these technologies may be extended to other flexible all-solid-state batteries (Na-ion batteries and Al-ion Batteries, etc.) applications.

与液态电池相比，全固态电池具有更高的能量密度和功率密度。柔性电池是柔性电子（例如可穿戴电子和可植入医疗器件）中不可缺少的组成部分。然而，制备柔性全固态电池仍然是一个大的挑战，因为缺少具有优良电子电导、柔韧性以及在电化学环境下稳定的电极材料；此外，为了构筑柔性全固态电池，需要将阳极、电解质和阴极都制备成可以集成的多层薄膜。其中，生长具有理想结构的固体电解质薄膜是保证高离子电导率和可控界面的关键步骤之一。本项目的目标是解决可充电柔性全固态锂离子电池的一些基本科学和技术问题，为高性能、长寿命柔性全固态锂离子电池的应用奠定基础。本工作的特色和创新点之一在于制备柔性电极（例如，氧化物纳米线/石墨烯复合纸）衬底；另一个创新点是在柔性电极衬底上生长高离子电导率和可控界面的电解质薄膜。此外，也希望进一步将这些技术扩展用于其它柔性全固态电池（钠离子电池和铝离子电池等）。

柔性固态电池对于柔性电子器件的商业化至关重要。但是，制备具有高离子电导率的柔性固体电解质薄膜和高性能柔性电极仍然具有大的挑战。本项目以柔性固态电解质薄膜和电极为研究对象，加快高性能柔性固态电池的设计和制备方法的发展。. 本项目主要取得如下重要结果： .（1）一种使用复合电解质膜的安全耐用的固态锂电池研究. 通过流延法制备了一种柔性聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）-Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12（PVDF-HFP-LLZO）复合电解质膜，在室温下离子电导率达1.1´10-4 S cm-1， 离子迁移数为0.61，分解电压~5.3V。以LiFePO4作为正极，锂金属作为负极，制备的固态锂电池表现出优异的循环和倍率性能, 在0.5C的电流密度下循环180次之后容量的保持率仍然可以达到92.5%。这一复合电电解质为制备柔性全固态电池奠定了基础。 .（2）基于还原氧化石墨（rGO）/V2O5纳米线柔性复合正极的高温固态锂电池研究. 研究了V2O5纳米线和rGO复合薄膜用作正极，以PEO-MIL-53(Al)-LiTFSI作为电解质、金属锂箔作为负极制备了柔性固态锂电池。该电池可以在宽的电化学窗口（1.0-4.0V）下工作，电池可逆容量高达329.2 mAh g-1，在17 mA g-1电流密度下可以稳定循环40次。 .（3）一种柔性PEO基复合固体电解质用于全固态锂电池的研究. 采用溶液浇铸法制备了一种柔性聚环氧乙烷(PEO)-LiClO4-Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)复合电解质。采用PEO-50wt.%LATP电解质、Li金属负极和LiFePO4正极制备的全固态锂电池在1C下循环500次时，表现出优异的倍率（8C）和循环性能。. 本项目还研究了钠化的全氟磺酸薄膜、Ca2+掺杂Na3Zr2Si2PO12及高性能一体化全固态钠电池和 (Al0.2Zr0.8)20/19Nb(PO4)3电解质基高温全固态铝电池的研究，为后续开展柔性固态钠/铝电池奠定了基础。 . 通过本项目的研究，实现了预期的目标，解决了可充电柔性全固态锂离子电池的一些基本科学和技术问题，为高性能、长寿命柔性固态锂电池的应用奠定基础。