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固态锂电池电解质的有机聚合物体系

2022.9.16

  常规液态锂离子电池使用的电解液和隔膜以有机成分为主,故同样隶属有机物的有机聚合物是固体电解质基体的自然选择。有机聚合物国体电解质体系包括聚氧化乙烯(PEO)及与其结构有一定相似性的聚合物(聚氧化丙烯、聚偏氯乙烯、聚偏氟乙烯)等。

  聚氧化乙烯由于其和锂负极的良好兼容性成为有机聚合物固体电解质的主流选择。鉴于聚氧化乙烯本征不含锂,需要首先掺杂前述锂盐;其导锂机理为醚氧键/电负性较高的其他原子对锂离子的诱导,及后续非晶态区域富锂链段运动实现锂离子的近邻转移,最终效果体现为锂离子从聚合物层一侧进入,另一侧脱出,实现锂离子的充放电输运。聚氧化乙烯掺杂锂盐后的结晶度越高其强度越高但锂离子电导越低,所以无机粒子掺杂,聚合物嫁接、共聚、交联改性等降低适度结晶度的手段也为研究者大量采用。至今,聚氧化乙烯固体电解质在稍高温度条件下的锂离子电导已可为实用所接受,且其密度较低、界面阻抗较低,易于薄层化及进行机械加工。

  但是,掺杂锂盐后的聚氧化乙烯固体电解质耐高电压能力差,常规电压的三元材料即可使其被氧化,使得正极材料选择受限,很大程度上限制了最终电池的能量密度。另外,聚氧化乙烯强度相对较低,其抗穿刺短路能力相比于其他固体电解质体系较弱。

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