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, 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、微晶玻璃及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. 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和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Adv. Energy Materials、Small和Energy Environ. Sci.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), 2018年山东省自然科学奖一等奖(第五完成人)及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, 中国科学院深海智能技术先导专项副总工程师(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及企业横向项目等多项科研项目. 在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem., Int. Ed.及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), 2018年山东省自然科学奖一等奖(第一完成人), 2021年青岛市科技进步奖一等奖(第一完成人)及2023年山东省技术发明奖(第一完成人). |
收稿日期: 2024-02-22
网络出版日期: 2024-04-02
基金资助
国家重点研发计划(2023YFC2812700); 国家自然科学基金(52073298); 国家自然科学基金(52273221); 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(QNESLOP202312)
Research Progress on Room-temperature Solid-state Lithium Metal Batteries with Poly(ethylene oxide)-based Solid Polymer Electrolytes
Received date: 2024-02-22
Online published: 2024-04-02
Supported by
National Key R&D Program of China(2023YFC2812700); National Natural Science Foundation of China(52073298); National Natural Science Foundation of China(52273221); Youth Innovation Promotion Association of the Chinese Academy of Sciences(2020217); Qingdao New Energy Shandong Laboratory Open Project(QNESLOP202312)
锂离子电池已被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. 从纳米填料复合、三维(3D)骨架增强、分子水平调节、与其他聚合物共混及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.
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, 2024 , 82(6) : 690 -706 . DOI: 10.6023/A24020061
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 has 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 room-temperature solid-state lithium metal batteries SSLBs with PEO-based solid polymer electrolytes. A detailed description of the research progress room-temperature SSLBs with PEO-based solid-state polymer electrolytes is provided. 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, a systematic outlook on the challenges and future development trends room-temperature SSLBs with PEO-based solid polymer electrolyte are presented.
| [1] | Chang, W.-Y.; Tan, Y.-Y.; Wu, J.-Y.; Liu, Y.-J.; Cai, J.-H.; Lai, C.-Y. Acta Chim. Sinica 2023, 81, 1708. (in Chinese) |
| [1] | (常婉莹, 谭莹瑛, 吴静怡, 刘英杰, 蔡金海, 赖春艳, 化学学报, 2023, 81, 1708.) |
| [2] | Zhang, C.-M.; Huang, Z.; Yang, Y.; Wang, D.; He, D.-N. Chin. J. Org. Chem. 2014, 34, 1347. (in Chinese) |
| [2] | (张春明, 黄昭, 杨扬, 王丹, 何丹农, 有机化学, 2014, 34, 1347.) |
| [3] | Zhang, Y.; Lai, J.; Gong, Y.; Hu, Y.; Liu, J.; Sun, C.; Wang, Z.-L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 34309. |
| [4] | Manthiram, A.; Yu, X.; Wang, S. Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 1. |
| [5] | Sun, C.; Liu, J.; Gong, Y.; Wilkinson, D. P.; Zhang, J. Nano Energy 2017, 33, 363. |
| [6] | Liao, M.-H.; Yang, D.-X.; Zhou, Y.; Wan, R.-J.; Liu, R.-P.; Wang, Q. Energy Storage Sci. Technol. 2022, 11, 3090. (in Chinese) |
| [6] | (廖敏会, 杨大祥, 周洋, 万仁杰, 刘瑞平, 王强, 储能科学与技术, 2022, 11, 3090.) |
| [7] | Kang, S.-S.; Yang, C.-X.; Yang, Z.-L.; Wu, N.-N.; Zhao, S.; Chen, X.-T.; Liu, F.-L.; Shi, B. Acta Chim. Sinica 2020, 78, 1441. (in Chinese) |
| [7] | (康树森, 杨程响, 杨泽林, 吴宁宁, 赵姗, 陈晓涛, 刘富亮, 石斌, 化学学报, 2020, 78, 1441.) |
| [8] | Zhao, R.-T.; Yang, J.-X.; Wang, B.; Ma, Z.; Pan, L.; Li, Y.-S. Chin. J. Chem. 2023, 41, 2493. |
| [9] | Tian, S.-W.; Zhou, L.-X.; Zhang, B.-Q.; Zhang, J.-J.; Du, X.-F.; Zhang, H.; Hu, S.-J.; Yuan, Z.-X.; Han, P.-X.; Li, S.-L.; Zhao, W.; Zhou, X.-H.; Cui, G.-L. Acta Chim. Sinica 2022, 80, 1410. (in Chinese) |
| [9] | (田宋炜, 周丽雪, 张秉乾, 张建军, 杜晓璠, 张浩, 胡思伽, 苑志祥, 韩鹏献, 李素丽, 赵伟, 周新红, 崔光磊, 化学学报, 2022, 80, 1410.) |
| [10] | Chen, C.; Li, Q.; Li, Y.; Cui, Z.; Guo, X.; Li, H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 2185. |
| [11] | Hammami, A.; Raymond, N.; Armand, M. Nature. 2003, 424, 635. |
| [12] | Zheng, Y.-S.; Wang, Y.-Y.; Gui, J.-Q.; Xie, Z.-H.; Xu, Y.; Cao, Q.-Y.; Xu, Y.-H.; Liu, Y.-L.; Liang, Y.-R. Energy Storage Sci. Technol. 2023, 12, 3064. (in Chinese) |
| [12] | (郑衍森, 王泳茵, 桂久青, 谢卓豪, 徐越, 曹巧英, 徐悦华, 刘应亮, 梁业如, 储能科学与技术, 2023, 12, 3064.) |
| [13] | Zhang, Z.; Zhao, Y.; Chen, S.; Xie, D.; Yao, X.; Cui, P.; Xu, X. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 16984. |
| [14] | Koerver, R.; Aygu?n, I.; Leichtwei?, T.; Dietrich, C.; Zhang, W.; Binder, J. O.; Hartmann, P.; Zeier, W. G.; Janek, J. R. Chem. Mater. 2017, 29, 5574. |
| [15] | Zhang, B.; Tan, R.; Yang, L.; Zheng, J.; Zhang, K.; Mo, S.; Lin, Z.; Pan, F. Energy Storage Mater. 2018, 10, 139. |
| [16] | Zhang, J.-B.; Wang, Y.-P. Energy Environ. 2023, 4, 2. (in Chinese) |
| [16] | (张钧波, 王娱飘, 能源与环境, 2023, 4, 2.) |
| [17] | Zhai, Y.-F.; Yang, G.-M.; Hou, W.-Y.; Yao, J.-Y.; Wen, Z.-Y.; Song, S.-F.; Hu, N. Energy Storage Sci. Technol. 2021, 10, 905. (in Chinese) |
| [17] | (翟艳芳, 杨冠明, 侯望墅, 姚建尧, 温兆银, 宋树丰, 胡宁, 储能科学与技术, 2021, 10, 905.) |
| [18] | Bao, J.; Qu, X.; Qi, G.; Huang, Q.; Wu, S.; Tao, C.; Gao, M.; Chen, C. Solid State Ionics 2018, 320, 55. |
| [19] | Huang, Z.; Pang, W.; Liang, P.; Jin, Z.; Grundish, N.; Li, Y.; Wang, C.-A. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 16425. |
| [20] | Samsinger, R.; Schopf, S.; Schuhmacher, J.; Treis, P.; Schneider, M.; Roters, A.; Kwade, A. J. Electrochem. Soc. 2020, 167, 120538. |
| [21] | Diddens, D.; Heuer, A.; Borodin, O. Macromolecules 2010, 43, 2028. |
| [22] | Zheng, J.; Tang, M.; Hu, Y. Y. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 12538. |
| [23] | Cheng, X.-B.; Zhang, R.; Zhao, C.-Z.; Zhang, Q. Chem. Rev. 2017, 117, 10403. |
| [24] | Hou, W.; Guo, X.; Shen, X.; Amine, K.; Yu, H.; Lu, J. Nano Energy 2018, 52, 279. |
| [25] | Zhen, R.; Chi, Q.-W.; Wang, X.-Y.; Yang, K.; Jiang, Y.-S.; Li, F.-F.; Xue, B. Acta Polym. Sin. 2017, 8, 1312. (in Chinese) |
| [25] | (甄冉, 迟茜文, 王星元, 杨阔, 蒋引珊, 李芳菲, 薛兵, 高分子学报, 2017, 8, 1312.) |
| [26] | Masoud, E. M.; El-Bellihi, A.-A.; Bayoumy, W.; Mousa, M. J. Alloys Compd. 2013, 575, 223. |
| [27] | Wetjen, M.; Navarra, M. A.; Panero, S.; Passerini, S.; Scrosati, B.; Hassoun, J. ChemSusChem 2013, 6, 1037. |
| [28] | Gu, D.-M.; Li, Y.-C.; Yang, L.; Xiao, Y. Acta Chim. Sinica 2010, 68, 2367. (in Chinese) |
| [28] | (顾大明, 李已才, 杨柳, 肖宇, 化学学报, 2010, 68, 2367.) |
| [29] | Stephan, A. M.; Nahm, K. Polymer 2006, 47, 5952. |
| [30] | Chen, G.-R.; Shi, P.-F.; Bai, Y.-P.; Fan, T.-B. Acta Chim. Sinica 2004, 62, 377. (in Chinese) |
| [30] | (陈国荣, 史鹏飞, 白永平, 范太炳, 化学学报, 2004, 62, 377.) |
| [31] | Liu, L.; Chu, L.; Jiang, B.; Li, M. Solid State Ionics 2019, 331, 89. |
| [32] | Zhou, Q.; Li, Q.; Liu, S.; Yin, X.; Huang, B.; Sheng, M. J. Power Sources 2021, 482, 228929. |
| [33] | Wang, J.; Yang, J.; Shen, L.; Guo, Q.; He, H.; Yao, X. ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 4129. |
| [34] | Xu, L.; Li, J.; Deng, W.; Shuai, H.; Li, S.; Xu, Z.; Li, J.; Hou, H.; Peng, H.; Zou, G. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2000648. |
| [35] | Li, S.; Zhang, S. Q.; Shen, L.; Liu, Q.; Ma, J. B.; Lv, W.; He, Y. B.; Yang, Q. H. Adv. Sci. 2020, 7, 1903088. |
| [36] | Luu, V. T.; Nguyen, Q. H.; Park, M. G.; Nguyen, H. L.; Seo, M.-H.; Jeong, S.-K.; Cho, N.; Lee, Y.-W.; Cho, Y.; Lim, S. N.; Jun, Y.-S.; Ahn, W. J. Mater. Res. Technol. 2021, 15, 5849. |
| [37] | Fu, C.; Ma, Y.; Zuo, P.; Zhao, W.; Tang, W.; Yin, G.; Wang, J.; Gao, Y. J. Power Sources 2021, 496, 229861. |
| [38] | Fu, C.; Zhang, X.; Cui, C.; Zhang, X.; Lou, S.; Ma, Y.; Huo, H.; Gao, Y.; Zuo, P.; Yin, G. Chem. Eng. J. 2022, 432, 134271. |
| [39] | Zhang, X.; Fu, C.; Cheng, S.; Zhang, C.; Zhang, L.; Jiang, M.; Wang, J.; Ma, Y.; Zuo, P.; Du, C.; Gao, Y.; Yin, G.; Huo, H. Energy Storage Mater. 2023, 56, 121. |
| [40] | Nguyen, H. L.; Luu, V. T.; Nguyen, M. C.; Kim, S. H.; Nguyen, Q. H.; Nungu, N. I.; Jun, Y. S.; Ahn, W. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2207874. |
| [41] | Lv, F.; Liu, K.; Wang, Z.; Zhu, J.; Zhao, Y.; Yuan, S. J. Colloid Interface Sci. 2021, 596, 257. |
| [42] | Liu, W.; Liu, N.; Sun, J.; Hsu, P.-C.; Li, Y.; Lee, H.-W.; Cui, Y. Nano Lett. 2015, 15, 2740. |
| [43] | Pan, L.; Sun, S.; Yu, G.; Liu, X. X.; Feng, S.; Zhang, W.; Turgunov, M.; Wang, Y.; Sun, Z. Chem. Eng. J. 2022, 449, 137682. |
| [44] | Shi, K.; Zheng, D.; Guo, Z.; Yang, Z.; Zhang, W. Sustainable Energy Fuels 2022, 6, 5503. |
| [45] | Fan, R.; Liu, C.; He, K.; Ho-Sum Cheng, S.; Chen, D.; Liao, C.; Li, R. K.-Y.; Tang, J.; Lu, Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 7222. |
| [46] | Han, Q.; Wang, S.; Jiang, Z.; Hu, X.; Wang, H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 20514. |
| [47] | Wang, W.-Z.; Song, R.-F.; Li, T; Xu, R.-N.; Zhao, Y.-C.; Zhang, L. J. Chin. Ceram. Soc. 2022, 50, 47. (in Chinese) |
| [47] | (王维哲, 宋瑞丰, 李彤, 徐若楠, 赵元春, 张隆, 硅酸盐学报, 2022, 50, 47.) |
| [48] | Han, Q.; Wang, S.; Kong, W.; Ji, B.; Wang, H. Chinese Journal of Chemical Engineering 2023, 54, 257. |
| [49] | Li, F.; Su, B.; Shi, L.; Mua, J.; Xu, F.; Wang, J.; Yang, H.; Guo, Z. Ceram. Int. 2023, 49, 26604. |
| [50] | Meng, X.; Zhang, D.; Mo, J.; Liu, L.; Yang, T.; Fan, Q.; Zhao, Q.; Zhou, R.; Zhang, M.; Hou, W.; Hu, W.; Zhang, W.; Jin, Y.; Jiang, B.; Chu, L.; Li, M. Appl. Surf. Sci. 2024, 648, 158962. |
| [51] | Xia, Y.; Wang, Q.; Liu, Y.; Zhang, J.; Xia, X.; Huang, H.; Gan, Y.; He, X.; Xiao, Z.; Zhang, W. J. Colloid Interface Sci. 2023, 638, 908. |
| [52] | Yang, T.-Q.; Wang, C.; Zhang, W.-K.; Xia, Y.; Gan, Y.-P.; Huang, H.; He, X.-P.; Zhang, J. Rare Met. 2022, 41, 1870. |
| [53] | Wu, J.; Rao, Z.; Cheng, Z.; Yuan, L.; Li, Z.; Huang, Y. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1902767. |
| [54] | Zhou, D.; He, Y.-B.; Liu, R.; Liu, M.; Du, H.; Li, B.; Cai, Q.; Yang, Q.-H.; Kang, F. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500353. |
| [55] | Xiao, L.-J.; Zhang, Y.-P.; Hong, M. Chin. J. Org. Chem. 2023, 43, 949. (in Chinese) |
| [55] | (肖丽娟, 张艳平, 洪缪, 有机化学, 2023, 43, 949.) |
| [56] | Whiteley, J. M.; Taynton, P.; Zhang, W.; Lee, S. H. Adv. Mater. 2015, 27, 6922. |
| [57] | Qi, F.; Sun, Z.; Fan, X.; Wang, Z.; Shi, Y.; Hu, G.; Li, F. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2100387. |
| [58] | Wei, Y.; Liu, T. H.; Zhou, W.; Cheng, H.; Liu, X.; Kong, J.; Shen, Y.; Xu, H.; Huang, Y. Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203547. |
| [59] | Xue, C.; Jin, D.; Nan, H.; Wei, H.; Chen, H.; Xu, S. J. Power Sources 2020, 449, 227548. |
| [60] | Zou, L.; Shi, K.; Liu, H.; Wu, Y.; Xu, T.; Wang, Q.; Chen, Z.; Yang, Z.; Song, R.; Su, J.; Zhang, W. Chem. Eng. J. 2023, 465, 142794. |
| [61] | Liu, Y.; Zhao, Y.; Lu, W.; Sun, L.; Lin, L.; Zheng, M.; Sun, X.; Xie, H. Nano Energy 2021, 88, 106205. |
| [62] | Xu, S.; Sun, Z.; Sun, C.; Li, F.; Chen, K.; Zhang, Z.; Hou, G.; Cheng, H.-M.; Li, F. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2007172. |
| [63] | Naderkhani, N.; Rostami, S.; Mokhtari, Z.; Mollavali, M.; Nourany, M. Polym. Adv. Technol. 2024, 35, 6319. |
| [64] | Ma, J.; Zhong, G.; Shi, P.; Wei, Y.; Li, K.; Chen, L.; Hao, X.; Li, Q.; Yang, K.; Wang, C.; Lv, W.; Yang, Q.-H.; He, Y.-B.; Kang, F. Energy Environ. Sci. 2022, 15, 1503. |
| [65] | Wang, J.; Yan, X.; Zhang, Z.; Guo, R.; Ying, H.; Han, G.; Han, W.-Q. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 41323. |
| [66] | Xue, Z.; He, D.; Xie, X. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 19218. |
| [67] | Qu, X.-X.; Guo, Y.; Liu, X.-K. Chin. J. Chem. 2022, 40, 2559. |
/
| 〈 |
|
〉 |
