全固態(tài)電池將商業(yè)化電池中的液態(tài)電解質(zhì)替換為固體電解質(zhì)，因而被期望能大幅改進(jìn)電池的安全性并在近年來(lái)逐漸成為電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

01研究背景

隨著電動(dòng)汽車(chē)和消費(fèi)電子的不斷發(fā)展，電池的安全性問(wèn)題在實(shí)際應(yīng)用中變得日益突出。在各種極端條件下（碰撞，高溫，過(guò)充），電池會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)氣鼓包甚至是自燃等情況。全固態(tài)電池將商業(yè)化電池中的液態(tài)電解質(zhì)替換為固體電解質(zhì)，因而被期望能大幅改進(jìn)電池的安全性并在近年來(lái)逐漸成為電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。大量的研究關(guān)注固態(tài)電池的界面及電化學(xué)性能的改善，然而關(guān)于固態(tài)電池的安全性相關(guān)的行為尤其是產(chǎn)氣行為，研究較少。近日，來(lái)自我國(guó)科學(xué)院物理研究所的李泓、禹習(xí)謙研究員（共同通訊作者）在ACSEnergyLetter上以IncreasingPoly(ethyleneoxide)Stabilityto4.5VbySurfaceCoatingoftheCathode為題發(fā)表了他們有關(guān)聚合物固態(tài)電池高電壓下產(chǎn)氣行為特性及抑制方法的相關(guān)研究，文章第一作者為聶凱會(huì)。

02成果簡(jiǎn)介

本文針對(duì)PEO基固態(tài)電池體系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算系統(tǒng)地研究了其在高電壓狀態(tài)下的產(chǎn)氣行為，發(fā)現(xiàn)了盡管PEO基聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)窗口只有3.8V，但是單純PEO電解質(zhì)直到負(fù)載電壓達(dá)到4.5V時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)明顯的產(chǎn)氣分解的行為。而將鈷酸鋰正極加入組裝成全電池后，4.2V便開(kāi)始出現(xiàn)產(chǎn)氣行為，說(shuō)明脫鋰態(tài)層狀正極和固態(tài)電解質(zhì)之間的界面反應(yīng)會(huì)引起聚合物電池在較低電壓下出現(xiàn)產(chǎn)氣行為，因此，作者進(jìn)一步采用離子導(dǎo)體包覆的方式，阻隔正極和聚合物之間的相互接觸，成功的將聚合物鈷酸鋰電池的產(chǎn)氣電位提升至4.5V。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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03圖文導(dǎo)讀

為了監(jiān)測(cè)固態(tài)電池中的產(chǎn)氣行為，作者采用了電化學(xué)微分質(zhì)譜的手段，結(jié)合自制的原位電池殼，實(shí)現(xiàn)了在聚合物工作溫度原位檢測(cè)電池產(chǎn)氣情況的功能，儀器結(jié)構(gòu)如圖1a所示。為了首先驗(yàn)證聚合物本征的高電壓分解導(dǎo)致的產(chǎn)氣行為，作者制備了只包含導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，不包含活性物質(zhì)的電極作為正極，將電池在60℃下保溫24h后，用小電流加恒壓將電池分別充電到4.2V，4.4V，4.6V并在每一個(gè)電壓平臺(tái)保持5小時(shí)。如圖1b所示，電池在4.2V，4.4V電壓保持時(shí)均表現(xiàn)正常，無(wú)氣體被檢測(cè)到。而當(dāng)電池被充電到4.5V左右時(shí)，聚合物開(kāi)始出現(xiàn)明顯的產(chǎn)氣行為，包括H2，CH4，C2H2等。這說(shuō)明聚合物出現(xiàn)了明顯的分解，并使得電池?zé)o法到達(dá)設(shè)定的電壓。

圖1.a)DEMS結(jié)構(gòu)原理圖及原位電池殼示意圖；b)單純PEO在不同電位下的產(chǎn)氣行為。

之后，作者引入鈷酸鋰正極，組裝成Li/PEO/LCO半電池，并將其分別在3-4.2V，3-4.4V，3-4.6V循環(huán)兩周。其電化學(xué)曲線(xiàn)及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣狀況如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在引入正極之后，從4.2V開(kāi)始，電池開(kāi)始出現(xiàn)產(chǎn)氣現(xiàn)象（重要出現(xiàn)氫氣）。該產(chǎn)氣電位明顯低于單純聚合物電解質(zhì)的產(chǎn)氣電位。

圖2.a)Li/PEO/LCO，b)Li/PEO/LATP@LCO電池的充放電曲線(xiàn)及其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣行為，和電化學(xué)性能。

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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以上結(jié)果說(shuō)明，盡管聚合物本身的產(chǎn)氣電位較高，但是當(dāng)和鈷酸鋰正極接觸后，即使是在較低的電位4.2V，產(chǎn)氣行為已經(jīng)開(kāi)始，這將大大限制聚合物電池安全使用的電位區(qū)間及其能量密度。為了防止LCO和PEO電解質(zhì)的直接接觸，作者采用表面離子導(dǎo)體包覆的方法制備了表面包覆LATP固態(tài)電解質(zhì)的鈷酸鋰正極。改用該種方法后，直至4.6V都沒(méi)有檢測(cè)到明顯的產(chǎn)氣行為，且電池在4.5V的電化學(xué)性能明顯好于未包覆的鈷酸鋰電池，如圖2b所示。

圖3.鈷酸鋰聚合物電池充放電過(guò)程中氫氣出現(xiàn)的三步反應(yīng)機(jī)理。

為了進(jìn)一步理解聚合物電池中氫氣出現(xiàn)的機(jī)理，作者認(rèn)為，氫氣的出現(xiàn)是一個(gè)多步反應(yīng)的機(jī)制，如圖三所示。首先，PEO中的氧被部分氧化后，將減弱C-H鍵的強(qiáng)度。隨后H質(zhì)子被TFSI陰離子奪走，形成氫化的HTFSI。由于HTFSI是一種較強(qiáng)的酸，同時(shí)對(duì)PEO和LCO均具有較高的腐蝕性，因此會(huì)加劇正極/電解質(zhì)界面的形成，電池性能的惡化。同時(shí)，HTFSI出現(xiàn)后會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散至負(fù)極，和金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，形成氫氣。

圖4.PEO電解質(zhì)脫氫反應(yīng)在有無(wú)充電態(tài)鈷酸鋰的情況下反應(yīng)的能量變化。

為了理清充電態(tài)鈷酸鋰對(duì)以上反應(yīng)機(jī)制的影響，作者采用第一性原理計(jì)算分析了和惰性電極和脫鋰態(tài)鈷酸鋰正極匹配的PEO電解質(zhì)脫氫反應(yīng)的反應(yīng)能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脫鋰態(tài)鈷酸鋰表面晶格氧會(huì)和PEO成鍵，穩(wěn)定脫氫產(chǎn)物，降低脫氫反應(yīng)的反應(yīng)能。因此脫鋰態(tài)的鈷酸鋰正極會(huì)促進(jìn)PEO脫氫反應(yīng)導(dǎo)致HTFSI形成進(jìn)一步在較低電位（4.2V）出現(xiàn)氫氣。為了更進(jìn)一步的驗(yàn)證所提出的機(jī)理，作者采用鈦酸鋰LTO電極作為負(fù)極取代金屬鋰電極，并在相同的電壓區(qū)間循環(huán)，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有明顯的氫氣出現(xiàn)。以上結(jié)果證明了氫氣的出現(xiàn)重要來(lái)自于HTFSI和金屬鋰負(fù)極的反應(yīng)，而HTFSI的出現(xiàn)受正極表面狀態(tài)影響。

04總結(jié)和展望

本文重要得出的結(jié)論如下：1）盡管電解質(zhì)在3.8V即開(kāi)始發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，但直到4.5V，產(chǎn)氣行為才會(huì)被檢測(cè)到。當(dāng)高于4.5V時(shí)，質(zhì)子化的TFSI離子開(kāi)始出現(xiàn)，并伴隨出現(xiàn)其他的揮發(fā)性產(chǎn)物；2）進(jìn)一步，作者發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰正極能夠?qū)㈦姵禺a(chǎn)氣的起始電位提前至4.2V，第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，充電態(tài)的鈷酸鋰會(huì)促進(jìn)正極/電解質(zhì)界面的形成以及促進(jìn)HTFSI的形成。并最終導(dǎo)致氫氣的出現(xiàn)；3）對(duì)正極采用包覆手段，阻隔正極電解質(zhì)之間的接觸，能夠有效抑制電池循環(huán)中氣體的出現(xiàn)，作者采用LATP離子導(dǎo)體對(duì)正極進(jìn)行包覆，在4.6V電壓下，依然沒(méi)有氣體出現(xiàn)。由于聚合物電解質(zhì)本身在較高電位下也會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)氣現(xiàn)象，因此，假如要進(jìn)一步改善聚合物電池的產(chǎn)氣行為，可能要對(duì)聚合物本身以及鋰鹽做進(jìn)一步的調(diào)控。

05文獻(xiàn)鏈接

KaihuiNie,XuelongWang,JiliangQiu,YiWang,QiYang,JingjingXu,XiqianYu,HongLi,XuejieHuang,LiquanChen.IncreasingPoly(ethyleneoxide)Stabilityto4.5VbySurfaceCoatingoftheCathode.(ACSEnergyLetters.2020,5,826-832.)