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天工大康衛(wèi)民/鄧南平EnSM: 基于核殼結(jié)構(gòu)納米纖維-陶瓷納米線的高鋰遷移數(shù)復(fù)合電解質(zhì)

使用全固態(tài)電解質(zhì)替代易燃液體電解質(zhì)，可以有效提高鋰金屬電池的能量密度和安全性。然而，這些電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率低和鋰遷移數(shù)小，導(dǎo)致鋰枝晶生長和電池內(nèi)阻增加。

在此，天津工業(yè)大學康衛(wèi)民和鄧南平等人采用一種新型同軸靜電紡絲技術(shù)制備具有核殼結(jié)構(gòu)的 PVDF-聚（環(huán)氧乙烷）（PEO）復(fù)合納米纖維膜，該膜是優(yōu)異的鋰離子導(dǎo)體。納米纖維中的芯層PVDF可為復(fù)合電解質(zhì)提供強大的骨架支撐，沿芯纖維分布的殼層PEO可通過絡(luò)合-解絡(luò)合為鋰離子提供3D有序傳輸通道。

此外，受陶瓷納米線離子傳輸特性的啟發(fā)，將具有氧空位的低成本Gd摻雜 CeO₂ (GDC) 陶瓷納米線引入納米纖維中，通過提供長距離的鋰離子傳輸路徑，進一步將復(fù)合電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率提高到2.3×10^-4S cm^-1 (30 °C)。

圖1. 全固態(tài)LiFePO₄?/Li電池的電化學性能

高機械強度（10.8 MPa）和鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)（0.64）賦予復(fù)合電解質(zhì)優(yōu)異的抑制鋰枝晶生長的能力。配備復(fù)合電解質(zhì)的Li/Li對稱電池在不同容量（0.1、0.2和0.4 mAh cm^-2）的各種電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，表明復(fù)合電解質(zhì)與鋰金屬之間具有優(yōu)異的界面相容性。

此外，Li/LiFePO₄和Li/LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ (NMC)電池優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能和高庫侖效率，充分證明了該復(fù)合電解質(zhì)在金屬鋰電池中的應(yīng)用前景。

圖2. 全固態(tài)NMC/Li電池在50°C下的電化學性能

Core-shell structure nanofibers-ceramic nanowires based composite electrolytes with high Li transference number for high-performance all-solid-state lithium metal batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.09.013

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