儲能電池關鍵材料表界面研究中取得系列進展

鋰電世界訊，電化學儲能電池核心部分由電極、電解質、集流體組成，如何將三部分要素有機整合是提高電池綜合性能的關鍵。近日，依托中國科學院青島生物能源與過程研究所建設的青島儲能產業技術研究院結合地方企業技術需求，在儲能電池關鍵材料的表界面研究中取得一系列重要進展，相關成果分別發表在Nano Energy、Electrochemistry Communications、Advanced Energy Materials 等雜志。

為服務青島地方企業對提高儲能電池安全性的需求，儲能院張波博士帶領的研發小組利用濕法抄紙和聚酰亞胺涂覆相結合工藝，以無機玻璃纖維為基質，開發了30微米厚的有機/無機復合電池隔膜。相對于商品化的聚丙烯隔膜，該類隔膜不但具備更加理想的電解液潤濕性能、優異的界面相容性和界面穩定性，同時其尺寸熱穩定性及阻燃性能也有了大幅度的提升。該項技術有望大幅提高高能密度電池的安全性，相關研究成果發表在Nano Energy(2014, 10, 277)。

動力鋰離子電池能量密度的提高，除與正負極材料相關外，對所采用電解液的要求也越來越高。作為添加劑用二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)為代表的鋰離子電池電解質鹽，與六氟磷酸鋰相比，具有優越的熱穩定性、良好的電導性和電化學穩定性。然而，在充放電過程中該電解質會逐漸腐蝕鋁箔集流體表界面造成集流體失效。儲能院韓鵬獻高工帶領的研究小組成功制備出具有高度取向結構的柔性石墨膜集流體材料，在該鋰鹽中，柔性的集流體顯示出優異的抗電化學腐蝕性能。單電池常溫循環1000次，容量保持率高達89%;高溫55℃，充放電循環300次，容量保持率也在80%以上(Electrochem. Commun.，2014, 44, 70)。

鋰空電池是一種具備超高理論能量密度的新型二次電池。該類電池放電產物Li2O2是不溶于有機電解液的絕緣性固體，如何實現其可逆的生成/分解是鋰空電氣池首要的科學問題。為研究放電產物的精細結構和理解其混合傳輸能力，儲能院董杉木博士與中科院物理研究所谷林教授合作，對Li2O2放電產物結構進行了原子尺度表征。實驗結果發現，放電產生的Li2O2存在周期性缺陷結構，該種缺陷造就了電極界面產生的過氧化鋰具有一定的導電性。該類微觀結構數據為了進一步研究鋰空電池Li2O2的可逆生成/分解，及其在電極/電解質界面的分布規律提供重要的指導作用(Adv. Energy Mater., 10.1002/aenm.201400664)。

此外，青島市海域遼闊，具有豐富的鈉資源，開發鈉基儲能電池是儲能院面向地方需求的重要任務。近日，董杉木博士帶領的研究小組在自支撐的硫化物電極表面原位電沉積包覆了導電高分子保護層，抑制了無機材料的體積膨脹，改善了材料的混合傳輸，并提升電極材料的界面穩定性，較好地提升了電池的循環使用性能(Electrochemistry Communications (2015), pp. 24-27)。

上述研究得到中科院納米先導計劃和重點部署項目、國家自然科學基金等資助。