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我校教师首次在国际顶级期刊Advanced Materials发表论文


近日,澳门十大娱乐网址大全市电力材料防护与新材料重点实验室彭怡婷博士在下一代高安全固态电解质方面取得重要进展,研究成果在Advanced Materials (SCI一区,影响因子为25.809,DOI: 10.1002/adma.201808338)以“Anion‐Sorbent Composite Separators for High‐Rate Lithium-Ion Batteries”为题报道了这一最新研究成果,这也是我校教师首次在该顶级期刊发表论文。

能量存储转化的本质是电子和离子的协同传递,两者的传输动力学过程决定着电化学储能器件的倍率性能。锂离子电池中的电极、电解液和隔膜均能够对电子-离子的有效传输起作用,其中隔膜作为电解液的储罐间接传输离子,对整电池性能的影响不可忽视。由于锂离子电解液中的阴离子不参与电化学驱动的锂化反应,但其迁移速度高于锂离子导致较低的锂离子迁移数(tLi+),造成快充/放条件下极化增加、副反应增多、发热和电池的能量效率降低等问题,极大地缩短了电池的循环寿命。因此,通过设计新型的阴离子吸附的隔膜可以有效增加锂离子的迁移数并提高离子电导率,满足高安全、高性能需求的固态锂离子电池。

该研究首次采用静电纺丝的方法制备了含有金属有机框架(MOF)颗粒和聚乙烯醇复合的隔膜,其中MOFs颗粒含有不饱和的金属中心会自发与电解液中的阴离子形成配位键,形成类似离子通道的孔道结构,促进锂离子在低活化能下自由传导。电化学测试结果表明,相比于含有六氟磷酸锂电解液的PP隔膜(锂离子电导率和迁移数分别为0.7mS/cm和0.49),高比表面积的复合MOFs隔膜显著的提高了离子导电率至2.9 mS/cm,使得锂离子的迁移数达到0.79,有效降低了锂离子传输的活化能,显著提高了锂离子的导电性。进一步将新型隔膜组装进入NCM/Graphite和LFP/LTO高倍率电池,对其从0.5C到10C阶段性不同电流密度下测试与PP隔膜对比,采用复合MOFs隔膜的锂电在10C的电流密度下前者的容量依然保持在0.5C的52%,前者几乎无容量,并且采用新型隔膜的NCM/Graphite电池在1C下循环1000圈容量保持率为73%(Vs. PP隔膜25%)。同时,通过系统研究发现,该复合隔膜能够有效减缓电解液的分解(采用复合MOFs隔膜的高氯酸电解液在4.9V才开始出现电解液分解),加强电极反应的动力学过程,降低电解液和电极界面之间的内阻。这一工作为高安全、高倍率和长循环的锂离子电池提供了新思路,展现了采用新型阴离子配位复合MOFs隔膜在锂离子电池应用的巨大潜力。

该工作得到了美国加州大学洛杉矶分校卢云峰教授课题组和澳门十大娱乐网址大全市电力材料防护与新材料重点实验室的支撑。

彭怡婷博士是环化学院近年引进的青年博士,先后获得国家自然科学基金青年基金和面上项目,入选江苏省双创人才计划,在Advanced Materials、Nano Energy 、Nano Letters等重要期刊上发表多篇论文。

 

环化学院 闵宇霖供稿

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