高导通宽电化学稳定窗口的醚基复合固体电解质研究

The solid-state lithium battery (SLB) stands for a significant direction for future power and energy storage battery technologies with high-energy density. The key point that ensures the application of SLB is to develop solid electrolytes with high ion conductivity and stability. This project focus on designing fluorine-containing ether-based polymer functionalized nanoparticles, manipulating the composition and structure at the molecular and nanoscale level, and fabricating composite solid electrolytes (CSE) with hierarchically ordered conducting network configuration and wide electrochemical stability window through the combining strategies of in-situ polymerization and lithiation. The relation between the CSE composition and structure with ion conductivity, stability and mechanical characteristics will be systematically investigated via various characterization and electrochemical measurements. A multiscale model will be established to uncover the laws that impact on the rate and cycling performances of SLB, which include the interfacial constituent and structure, and ion transport mechanism between CSE and electrode materials, and thus the high-performance SLB is expected. This project will not only provide theoretical guidance for the design and preparation of highly conductive and stable CSE and comprehension of ion transportation mechanism across the electrode-electrolyte interface, but also actively propel the development of high-performance and safe SLB, and related interdisciplinary areas.

固态锂电池是未来高能量密度动力和储能电池技术的重要发展方向。高离子导通和高稳定的固体电解质材料是保证固态锂电池实现应用的关键。本项目旨在设计醚基含氟聚合物功能化的纳米粒子，在分子和纳米尺度调控其组成与结构，采用原位聚合与锂化相结合的方式制备多级有序导通网络结构和宽电化学稳定窗口的复合固体电解质。通过多种表征和电化学测试手段，系统研究复合固体电解质组成和结构与电导率、稳定性及机械性能的关系。建立多尺度模型，揭示复合固体电解质与电极材料间界面组成、结构与离子传输机制等影响电池倍率及循环稳定性的规律，以期获得优异性能的固态锂电池。本项目不仅可以为高导通和高稳定的复合固体电解质的设计制备和电极-电解质的界面离子传输机制的理解提供理论指导，而且也为高效、安全固态锂电池的发展起到积极推动作用，并将促进相关交叉学科领域的发展。

醚类固态电解质低的电导率和电化学稳定性限制了它在固态电池中的应用，发展高导通宽电化学稳定窗口的醚基复合固体电解质是其实现应用的关键。基于此，本项目在从分子尺度筛选导离子单元和增强体，引入功能性的添加剂，以原位反应的方式制备出多种结构的含醚固体电解质，显著提升了醚基复合固体电解质的电导率、离子迁移数、电化学稳定窗口和热稳定性。结合理论计算系统研究了电解质的组成与结构对电化学性能、稳定性、机械强度及其与电极材料界面保护和离子传输机制、演变规律等。根据正、负极材料的氧化性、稳定性及工作电压的需要设计并制备了不同结构特点的固体电解质，发现一体化的多层结构可以改善电解质体相和电解质-电极材料界面离子输运及二者的相容性，固体电解质内部形成的有序限域离子传输通道有利于体相离子传输和优化界面离子流与电场，负极表面原位反应形成的含锂氟化物、氮化物、硅酸盐可以协同提升金属沉积的均匀性和库伦效率，正极侧原位形成的无定形固体电解质中间相在改善材料循环稳定性和抑制固体电解质分解方面具有重要意义。固态电池综合性能的提升依赖特定结构的高导通、宽电化学稳定窗口的固体电解质，也需要从正、负极材料层面进行针对性的保护，才能最终制得高比能、长寿命、本征安全的固态电池。本项目围绕醚基复合固体电解质及高效、安全、长寿命的固态电池方面取得特色的研究成果，在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Sci. China Chem.、J. Energy Chem.等国内外著名期刊发表SCI论文18篇，申请发明专利8项（1项PCT专利和3项已授权），申请1项实用新型专利并授权。本项目的醚基复合固体电解质及其制备方法将为其他固体复合电解质和固态电池的研发提供有益的理论参考和可行方案。