宽温度范围全固态锂离子电池用纳米氧化物-有机离子塑性晶体电解质的研究

In this project, novel organic ionic plastic crystals with low solid-solid transition temperature and high melting point are firstly synthesized, and such plastic crystals are blended with lithium salts to obtain binary mixtures as ion conducting mediators；nano oxides with special structure and morphology are employed as matrices, which can provide lithium ion transport channel; polymerized ionic liquids are used as organic phase, which can improve flexibility of electrolytes. The nano oxide-organic ionic plastic crystal electrolytes are prepared by two ways, i.e., direct dispersion and one-pot sol-gel processing. The properties of as-obtained electrolytes and lithium ion transport mechanism are systematically investigated. By elucidating the relationship between compositions, structures and properties of such electrolytes, high-performance electrolytes can be obtained. Moreover, the as-obtained electrolytes are applied in all-solid-state lithium ion batteries, and the electrolyte-electrode compatibilities are intensively explored. By studying the influence of different factors on interfacial properties of electrolytes and electrodes, the way for improving interfacial properties can be found. As a result, batteries exhibit excellent performance over a broad operating temperature range. Carrying out this project will open a new way for development of new electrolytes used in all-solid-state lithium ion batteries.

在本项目中，拟合成新型且具有低固-固相转变温度和高熔点的有机离子塑性晶体，并与锂盐复合组成离子塑性晶体/锂盐双组分作为离子传导组分；选择或原位生成具有特定结构和形貌的纳米氧化物作为骨架，其可提供有利于锂离子输运的通道；离子液体聚合物作为有机组分，其可改善电解质的力学柔韧性能。采用直接分散法或原位溶胶-凝胶法制备纳米氧化物-有机离子塑性晶体电解质，对电解质性能及锂离子输运机制进行系统研究；通过揭示电解质结构、组成与性能之间关系，制备出高性能固态电解质。将其应用在全固态锂离子电池中，深入探讨电解质与电极材料之间的相容性；通过阐明各种因素对电解质/电极材料界面性质的影响规律, 找到能有效改善界面性能的途径，从而使得电池在宽温度范围内具有优异的性能。通过本项目的研究，为构建全固态锂离子电池用新型电解质开辟一条新的途径。

随着新能源汽车和规模储能等领域的高速发展，锂离子电池迎来了快速发展期；同时，为了应对越来越迫切的高性能需求，各国都开始大力研发高能量密度锂离子电池。固态锂离子电池凭借安全和能量密度上的优势，是目前电池发展的重要方向之一；作为构建固态锂离子电池的核心材料，高性能电解质的研制引起了学术界和企业界的高度关注。在本项目中，通过阳、阴离子结构设计合成了几类新型离子塑性晶体，阐明离子结构对热性能的影响规律，发现了几种兼具低固-固相转变温度和高熔点的离子塑性晶体。此外，制备了几种纳米氧化物，并对其微观形貌和晶体结构进行了探讨。在此基础上，采用直接复合法或原位溶胶-凝胶法研制了多个系列新型复合固态电解质，通过热重分析(TG)、差示扫描量热仪（DSC）、电子拉力机、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线谱仪（EDS）、透射电子显微镜(TEM)等分析技术表征电解质的热性能、力学性能以及微观结构和形貌，同时运用电化学表征方法，如电化学交流阻抗法（EIS）、线性扫描伏安法（LSV）、对称锂金属电池充放电等研究电解质的离子电导率、电化学稳定性、锂离子迁移数、锂离子扩散系数及与锂金属界面稳定性，揭示了电解质结构、组成与性能之间的关系，制备出高性能固态电解质。电解质具有好的力学柔韧性、高的离子传导能力和电化学稳定性，在25℃时离子电导率可达到10-3 S cm-1，氧化分解电位大于5.0 V（vs. Li/Li+），并展现出高的热稳定性和安全性。将其应用于锂离子电池，通过优化电解质与电极材料之间的相容性，使电解质可匹配磷酸铁锂、镍钴锰三元等正极材料以及金属锂或石墨负极，构筑阻抗低、稳定性高的电解质/电极材料界面，从而支持电池获得好的性能。通过以上研究，为后续探索固态锂离子电池用高性能电解质提供了新的思路。