燃料电池都面世了，还有必要研究固态电池吗？
来源：宝鄂实业
2019-04-07 21:14
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一、为什么研究固态电池？
目前基于液态电解质的锂离子电池在一些应用场景，比如电动车和智能电子产品，越来越难以满足消费者的长续航要求。为此研究者将Li金属作负极与硫、空气（氧）或高含量层状镍氧化物的正极结合来制备更高能量密度的电池。同时，由于有机溶剂电解质自身存在安全性隐患，促使了人们加快对固态电解质、离子液体、聚合物及其组合进行研究。另外，目前的锂离子技术需要复杂的冷却和控制模块，以确保工作温度保持在60℃以下。如果温度经常处于高温状态，则会使得电池性能和寿命严重受损。所以研究固态电解质的核心还是为了安全，无论是对现有的锂离子电池还是将来可能的锂金属电池。
二、固态电解质的类型
除了无机陶瓷或玻璃电解质之外，最近显示出超越Li离子能量存储技术的电解质材料有以下四种：固体聚合物电解质(SPE)、离子液体、凝胶和纳米复合材料以及有机离子塑料晶体。基于SPE和Li金属的电池在高温（50-100℃）条件下仍旧具有不错的性能。其中，离子液体作为高能量密度电池中的电解质可以提供许多理想和可定制的特征。例如，它们具有能够实现金属负极和高压正极的大型电化学性能、最小的挥发性和零可燃性和更高的温度稳定性。本文中，作者将对基于聚合物和离子液体的下一代固体电解质的进展和前景进行讨论。
三、固态电解质技术发展现状和趋势
近日，澳大利亚迪肯大学的MariaForsyth教授（通讯作者）团队等人在AccountofChemicalResearch上发表了题为“InnovativeElectrolytesBasedonIonicLiquidsandPolymersforNext-GenerationSolid-StateBatteries”的综述文章。本文中，作者讨论自己团队在这些领域的一些工作。例如钠、镁、锌和铝等金属也被认为是锂金属的储能技术的替代品。然而，基于这些碱金属基储能应用所需材料的研究仍处于相对初级的阶段。其次，电解质在实现这些装置方面发挥了重要作用，很大程度上是类似Li技术。作者也讨论了他们最近在这些领域的一些进展，以及对该领域未来发展方向的看法。本文还演示了嵌段共聚物与离子液体电解质结合使用时，可同时提供力学性能和高离子导电性。最终的电解质材料，将使所有高性能的固态电池将有离子传输解耦的机械性能。
3.1．阴离子单离子导体
单离子导体：即阴离子附着在聚合物骨架上限制其自由移动，导致阳离子成为唯一可以自由移动的离子的聚合物电解质，且阳离子输运数几乎等于1。最近，Armand团队的研究表明，单离子导体的离子电导率通常是低于双离子导体。接着，作者基于他们对单离子导体系统的研究，提出提高单离子导体的离子电导率的两种主要策略：I、设计具有较低玻璃化转变温度和较高聚合物段流动性的体系；II、离子导电性与聚合物骨架的动力学解耦。
1）共聚的方法增加分段迁移的动力学
目前有大量的阴离子聚合物可用作锂和钠的单离子导体。在作者的研究中，主要是专注于乙烯基、丙烯酰胺基和甲基丙烯酸酯基的单离子导体。由于自由基聚合不仅简单经济，而且自由基聚合对离子官能团的耐受性很高，所以选择了自由基聚合技术。这些聚合物的一般化学结构如图1a所示。例如，作者开发的聚(锂1-[3-(甲基丙烯酰氧基)-丙基磺酰]-1-(三氟甲基磺酰)亚胺)(PMTFSI)的单离子导体表现出较高的玻璃化转变温度(Tg>90℃)，因此具有较低的室温电导率，同时加入环氧乙烷增加聚合物骨架的柔韧性。
目前基于液态电解质的锂离子电池在一些应用场景，比如电动车和智能电子产品，越来越难以满足消费者的长续航要求。为此研究者将Li金属作负极与硫、空气（氧）或高含量层状镍氧化物的正极结合来制备更高能量密度的电池。同时，由于有机溶剂电解质自身存在安全性隐患，促使了人们加快对固态电解质、离子液体、聚合物及其组合进行研究。另外，目前的锂离子技术需要复杂的冷却和控制模块，以确保工作温度保持在60℃以下。如果温度经常处于高温状态，则会使得电池性能和寿命严重受损。所以研究固态电解质的核心还是为了安全，无论是对现有的锂离子电池还是将来可能的锂金属电池。
二、固态电解质的类型
除了无机陶瓷或玻璃电解质之外，最近显示出超越Li离子能量存储技术的电解质材料有以下四种：固体聚合物电解质(SPE)、离子液体、凝胶和纳米复合材料以及有机离子塑料晶体。基于SPE和Li金属的电池在高温（50-100℃）条件下仍旧具有不错的性能。其中，离子液体作为高能量密度电池中的电解质可以提供许多理想和可定制的特征。例如，它们具有能够实现金属负极和高压正极的大型电化学性能、最小的挥发性和零可燃性和更高的温度稳定性。本文中，作者将对基于聚合物和离子液体的下一代固体电解质的进展和前景进行讨论。
三、固态电解质技术发展现状和趋势
近日，澳大利亚迪肯大学的MariaForsyth教授（通讯作者）团队等人在AccountofChemicalResearch上发表了题为“InnovativeElectrolytesBasedonIonicLiquidsandPolymersforNext-GenerationSolid-StateBatteries”的综述文章。本文中，作者讨论自己团队在这些领域的一些工作。例如钠、镁、锌和铝等金属也被认为是锂金属的储能技术的替代品。然而，基于这些碱金属基储能应用所需材料的研究仍处于相对初级的阶段。其次，电解质在实现这些装置方面发挥了重要作用，很大程度上是类似Li技术。作者也讨论了他们最近在这些领域的一些进展，以及对该领域未来发展方向的看法。本文还演示了嵌段共聚物与离子液体电解质结合使用时，可同时提供力学性能和高离子导电性。最终的电解质材料，将使所有高性能的固态电池将有离子传输解耦的机械性能。
3.1．阴离子单离子导体
单离子导体：即阴离子附着在聚合物骨架上限制其自由移动，导致阳离子成为唯一可以自由移动的离子的聚合物电解质，且阳离子输运数几乎等于1。最近，Armand团队的研究表明，单离子导体的离子电导率通常是低于双离子导体。接着，作者基于他们对单离子导体系统的研究，提出提高单离子导体的离子电导率的两种主要策略：I、设计具有较低玻璃化转变温度和较高聚合物段流动性的体系；II、离子导电性与聚合物骨架的动力学解耦。
1）共聚的方法增加分段迁移的动力学
目前有大量的阴离子聚合物可用作锂和钠的单离子导体。在作者的研究中，主要是专注于乙烯基、丙烯酰胺基和甲基丙烯酸酯基的单离子导体。由于自由基聚合不仅简单经济，而且自由基聚合对离子官能团的耐受性很高，所以选择了自由基聚合技术。这些聚合物的一般化学结构如图1a所示。例如，作者开发的聚(锂1-[3-(甲基丙烯酰氧基)-丙基磺酰]-1-(三氟甲基磺酰)亚胺)(PMTFSI)的单离子导体表现出较高的玻璃化转变温度(Tg>90℃)，因此具有较低的室温电导率，同时加入环氧乙烷增加聚合物骨架的柔韧性。
