中科院青岛能源所崔光磊研究员课题组Angew:巧用502胶水“粘合”破损锂电池--高性能锂硫电池用防泄漏电解液的开发


生活中常用的502胶水也能修补锂电池吗?


当今社会,可充电锂电池已广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域,与人们的日常生活密不可分。其中,锂硫电池因其潜在的高能量密度(> 500 Wh kg–1)被认为下一代最具潜力的储能技术之一。然而,锂硫电池普遍使用易燃、易挥发的醚类物质作为电解液,一旦电池在封装、运输或使用过程中受损导致电解液泄露,将带来巨大的安全隐患。


图1 锂硫软包电池防泄漏机制示意图


为消除此安全隐患,中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员课题组以生活中常用的502胶水的主要成分——氰基丙烯酸乙酯(PECA)为出发点,利用强亲核性的硫化物快离子导体(Li6PS5Cl)进攻PECA获得原位聚合大阴离子来调控醚类电解液的化学组成,组成的电解质具备三个突出特性:


(1)PECA的强极性基团可使电解液与软包电池内包装之间产生强的相互作用,通过氢键将电解液锚定在聚合物骨架上;

(2)电池受损后,空气中的水分可催化聚合物进一步聚合为更大分子“粘合”伤口;

(3)PECA的强极性基团与多硫化物相互作用,抑制了多硫化物的穿梭效应;

(4)聚合物大阴离子与普通PECA相比,具备更好的锂离子导电能力,确保电解液具有1.11 mS cm–1的高离子电导率。


四者相辅相成,实现了锂硫电池防泄漏、高性能的目标。


对软包电池进行防泄漏测试发现,商业电解液由于泄露和易燃性而剧烈燃烧;而采用防泄漏电解质的软包电池不燃烧,确保电池在点火后的安全性。同时,电解液因泄露带走了大量的活性物质,使得电池的首周容量损失高于50%,而防泄漏电池具有高达95%的容量保持。


图2 锂硫电池的电化学性能(a)多硫化物扩散观察,(b)扣式电池的倍率性能,(c)扣式电池在0.5 C倍率下的循环性能


图2a多硫化物的扩散实验显示,防泄漏电解质在电池6小时放电后未见明显的颜色变化,有力证明了其对多硫化物扩散的抑制作用。得益于此,利用纯硫电极(载量1.0 mg cm─2)的扣式电池在2 C的倍率下依然可以发挥455 mAh g–1的容量且在0.5 C倍率下可进行300周的稳定循环。


本工作利用硫化物快离子导体进攻PECA获得原位聚合大阴离子来调控醚类电解液的化学组成,获得了强极性、高电导率同时可有效抑制多硫化物穿梭的防泄漏电解液,并成功应用于高性能锂硫电池,在锂电池的防泄漏领域开辟了新思路。


论文第一作者为中国科学院青岛生物能源与过程研究所鞠江伟博士董杉木研究员崔艳艳,通讯作者为崔光磊研究员


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202103209


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