聚环氧乙烷固态聚合物电解质基室温固态锂金属电池的研究进展

doi:10.6023/A24020061

综述

聚环氧乙烷固态聚合物电解质基室温固态锂金属电池的研究进展

张仕杰^1,2,4,5, 王朵^1,2,4,5, 崔浩然³, 张雅岚^2,4,5, 张浩^2,4,5, 苑志祥^2,4,5, 韩鹏献^2,4,5, 姚树玉^1,*, 黄浪^2,4,5,*, 张建军^2,4,5,*, 崔光磊^2,4,5,*

1 材料科学与工程学院,山东科技大学,中国青岛 266590;
2 中国科学院青岛生物能源与过程研究所,青岛储能产业技术研究院,中国青岛 266101;
3 山东省青岛第二中学,中国青岛 266061;
4 山东能源研究院,中国青岛 266101;
5 青岛新能源山东省实验室,中国青岛 266101

投稿日期:2024-02-22
作者简介:张仕杰,山东科技大学材料科学与工程学院硕士研究生, 中国科学院青岛生物能源与过程研究所联合培养硕士研究生; 主要从事磷酸铁锂/石墨电池用高性能电解质的电化学及热安全性能与机制的研究;
姚树玉,山东科技大学教授,硕士生导师,1997年6月硕士毕业后,于山东科技大学工作至今,其中2003年9月至2006年9月于中国机械研究总院攻读博士; 2008年国家科技进步贰等奖获得者之一,2009年获第十八届孙越崎青年科技奖,2011年获煤炭工业杰出青年科技工作者荣誉称号; 从事金属材料热处理、微晶玻璃、高比能固态电池等方面的研究; 作为负责人,承担山东省自然科学基金项目、山东省教学改革项目、山东省精品课程及山东省一流课程建设,获国家授权发明专利7项;
黄浪,中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员,硕士生导师; 2018年12月于美国华盛顿州立大学获哲学博士学位,随后加入中国科学院青岛生物能源与过程研究所工作; 目前主要聚焦于高比能二次电池热失控机理的解析及安全增强策略的开发; 作为负责人承担国家自然科学基金、省市自然科学基金等项目,以第一或通讯作者在材料、化学等方面的国际权威杂志Joule、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Mater. Today、Adv. Sci.等杂志发表相关论文30余篇;
张建军,中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员,硕士生导师,中国科学院青年创新促进会会员; 2011年进入中国科学院青岛生物能源与过程研究所工作,主要研究方向是高比能固态聚合物锂电池技术及其关键材料; 主持承担国家自然科学基金项目3项、中国科学院青年创新促进会会员人才项目1项等; 以第一作者(含共一)或通讯作者在Advanced Energy Materials、Small、Energy & Environmental Science等国际权威学术期刊发表SCI论文30篇(其中4篇入选ESI高被引论文),总引用次数2967次; 申请美国和日本专利共2项,获得授权欧洲专利1项; 获得授权中国发明专利21项; 获得2017年青岛市自然科学奖一等奖(第五完成人); 获得2018年山东省自然科学奖一等奖(第五完成人); 获得2021年青岛市科技进步奖一等奖(第五完成人);
崔光磊,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员,博士生导师,国务院特殊津贴专家,国家杰青和WR计划,中科院深海智能技术先导专项副总师(固态电池基深海能源体系),青岛市储能产业技术研究院院长,国际聚合物电解质委员会理事; 2005 年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位,2005年9月至2009年2月先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究; 2009年2月起于中科院青岛生物能源与过程所工作; 2009年入选中国科学院“百人计划”(终期评估优秀),2009年获山东省自然科学杰出青年基金资助,2015年入选山东省“泰山学者特聘专家” 2016年获国家自然科学杰出青年基金资助2018年至2021年,十三五国家重点研发计划新能源汽车专项,高比能固态电池项目负责人; 主要从事低成本高效能源储存与转换器件的研究; 作为负责人/课题负责人承担国家自然科学杰出青年基金,国家 973 计划,863 计划,国家自然科学基金面上项目,省部级及中科院先导专项,企业横向项目等多项科研项目; 在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等发表论文400余篇,引用2万余次,申请国家专利210余项,授权131项,申请PCT专利7项,授权欧洲专利1项,授权美国专利1项,出版《动力锂电池中聚合物关键材料》书籍一部; 获得2017年青岛市自然科学奖一等奖(第一完成人); 获得2018年山东省自然科学奖一等奖(第一完成人); 获得2021年青岛市科技进步奖一等奖(第一完成人); 获得2023年山东省技术发明奖(第一完成人)
基金资助:
国家自然科学基金(52073298; 52273221); 国家重点研发计划(2023YFC2812700); 中国科学院青年创新促进会(2020217); 青岛新能源山东省实验室开放课题 (项目批准号QNESL OP202312).

Research progress on room-temperature solid-state lithium metal batteries with poly(ethylene oxide)-based solid polymer electrolytes

Shijie Zhang^1,2,4,5, Duo Wang^1,2,4,5, Haoran Cui³, Yalan Zhang^2,4,5, Hao Zhang^2,4,5, Zhixiang Yuan^2,4,5, Pengxian Han^2,4,5, Shuyu Yao^1,*, Lang Huang^2,4,5,*, Jianjun Zhang^2,4,5,*, Guanglei Cui^2,4,5,*

1. College of Materials Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;
2. Qingdao Industrial Energy Storage Research Institute, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China;
3. Qingdao NO.2 Middle School of Shandong Province, Qingdao 266061, China;
4. Shandong Energy Institute, Qingdao 266101, China;
5. Qingdao New Energy Shandong Laboratory, Qingdao 266101, China

Received:2024-02-22
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (52073298; 52273221); the National Key R&D Program of China(2023YFC2812700); the Youth Innovation Promotion Association of CAS (2020217) and Qingdao New Energy Shandong Laboratory Open Proect (Grant: QNESL OP202312).

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摘要/Abstract

锂离子电池已广泛应用于国民经济的诸多领域,然而采用液态电解液的锂离子电池可能会存在电解液泄漏、挥发、燃烧、甚至爆炸等潜在安全隐患。相对比而言,采用固态电解质的固态锂电池具有高安全特性,已成为科研界和产业界研发的热点和重点。作为固态锂电池的核心部件,固态电解质至关重要。聚环氧乙烷(PEO)固态聚合物电解质(SPE)具有较高的柔韧性、优良的加工性和良好的界面接触性,且与锂金属负极兼容性好,是固态锂金属电池(SSLB)相对理想的电解质材料。但PEO固态聚合物电解质室温离子电导率偏低,严重制约了其在室温固态聚合物锂金属电池领域的进一步广泛发展和应用。经过国内外科研人员等的不断努力,截至目前PEO固态聚合物电解质基室温SSLB,已经取得了相当大的研究进展。因此本综述从纳米填料复合、三维(3D)骨架增强、分子水平调节、与其他聚合物共混、正极内部构建离子快速传输通道等策略出发,对PEO固态聚合物电解质用于室温SSLB的研究进展进行了详细阐述。最后还对PEO固态聚合物电解质基室温SSLB所面临的挑战以及未来发展趋势进行了系统展望。

关键词: 聚环氧乙烷, 固态聚合物电解质, 室温, 高效离子传输, 固态锂金属电池

Lithium-ion batteries are widely used in various fields of the national economy. However, those with liquid electrolytes may pose potential safety hazards, such as electrolytes leakage, volatilisation, combustion, and even explosion. In contrast, solid-state lithium batteries with solid electrolyte exhibit high safety characteristics and have become a research and development hotspot in the scientific and industrial sectors. The design and development of solid-state electrolytes are crucial for solid-state lithium batteries. Poly(ethylene oxide) (PEO) solid polymer electrolyte (SPE) is an excellent electrolyte material for solid-state lithium-metal batteries (SSLBs) due to its high flexibility, excellent processability, good interfacial contact, and compatibility with lithium-metal anode. However, the low room temperature ionic conductivity of PEO-based solid polymer electrolytes have seriously restricted its further development and application in the field of room temperature solid polymer lithium metal batteries. Through the continuous efforts of researchers at home and abroad, considerable progress has been made in the development of PEO-based solid polymer electrolytes room-temperature solid-state lithium metal batteries SSLBs. This review provides a detailed description of the research progress of PEO solid-state polymer electrolytes for room-temperature SSLBs. The strategies covered include nanofiller composites, three-dimensional (3D) skeleton enhancement, molecular level modulation, blending with other polymers, and constructing fast ion transport channels inside the cathode. Finally, this text presents a systematic outlook on the challenges and future development trends of PEO-based solid polymer electrolyte room-temperature SSLBs.

Key words: poly(ethylene oxide), solid polymer electrolytes, room temperature, efficient ion transport, solid-state lithium metal battery

引用此文

张仕杰, 王朵, 崔浩然, 张雅岚, 张浩, 苑志祥, 韩鹏献, 姚树玉, 黄浪, 张建军, 崔光磊. 聚环氧乙烷固态聚合物电解质基室温固态锂金属电池的研究进展[J]. 化学学报, doi: 10.6023/A24020061.

Shijie Zhang, Duo Wang, Haoran Cui, Yalan Zhang, Hao Zhang, Zhixiang Yuan, Pengxian Han, Shuyu Yao, Lang Huang, Jianjun Zhang, Guanglei Cui. Research progress on room-temperature solid-state lithium metal batteries with poly(ethylene oxide)-based solid polymer electrolytes[J]. Acta Chimica Sinica, doi: 10.6023/A24020061.

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