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基于自修复静电屏蔽效应构筑固态电解质及其抑制锂枝晶生长机制研究

批准号:
22078200
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
米宏伟
依托单位:
学科分类:
光化学与电化学工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
米宏伟

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
固态电解质是高能高安全固态锂离子电池的关键材料,其实际应用却受制于界面接触性差、离子电导率低和锂枝晶生长的问题。本项目拟采用聚合物和锂镧钛氧(LLTO)构建三维网状结构固态电解质膜,通过物理掺杂、化学接枝引入金属阳离子或极性基团,实现基于静电屏蔽效应的固态电解质与锂金属界面的自修复与锂枝晶的控制生长。通过第一性原理计算结合表征技术研究金属阳离子、极性基团、聚合物的种类、含量和反应条件对固态电解质微观结构、缺陷和表面特性的影响规律,建立基于自修复静电屏蔽效应的聚合物/LLTO复合膜的可控制备方法;以研制的聚合物/LLTO复合膜组装固态锂离子电池,通过分子动力学模拟结合原位电化学测试和表征技术研究固态电解质膜微观结构与宏观力学性能、电化学性能的本质联系及锂离子传输机制,揭示自修复静电屏蔽效应抑制锂枝晶生长的机理。项目成果为新型固态电解质的设计合成及其在固态锂离子电池中的应用提供理论指导。
英文摘要
Solid-state electrolytes are the core components of solid-state lithium-ion (Li-ion) batteries with high energy capacity and safety, but their practical application is severely hampered by large interfacial resistance, low Li-ion conductivity and uncontrollable dendrite growth. In this proposal, we will fabricate three dimensional (3D) network structured polymer/LLTO composites with metal cation doping or polar groups grafting, which can force uniform lithium deposition and mitigate dendrite growth via self-healing electrostatic shield. First-principles combined with characterization technologies, are used to explore the influence of cation, polar group and polymer’s varieties, contents and reaction conditions on the microstructure, defect and surface property of the solid-state electrolyte. The controllable preparation methods of 3D network structured polymer/LLTO solid-state electrolyte based on self-healing electrostatic shield will be established. The essential relationship between microstructure and macroscopic mechanical properties and electrochemical performance as well as the mechanism of Li-ion transport will be investigated by the molecular dynamics simulation, in-situ scanning electrochemical technique and in-situ electrochemical impedance spectroscopy. The mechanism of dendrite-free solid-state electrolytes and Li-ion battery based on self-healing electrostatic shield is revealed. This research will provide theoretical basis and experimental guidance to the design and synthesis of novel solid-state electrolytes and their application in Li-ion batteries.
针对固态电解质离子电导率低、界面接触性差和锂枝晶生长的问题,本项目研究了聚合物、无机物和添加剂的类型、比例和制备工艺对固态电解质结构的影响,采用溶胶凝胶结合高温烧结、化学自组装和原位聚合技术建立了基于自修复静电屏蔽效应的系列固态电解质的可控制备方法。以研制的固态电解质组装锂金属电池,通过分子动力学计算、仿真模拟和原位表征技术探究了固态电解质微观结构、电极-电解质界面演变和构筑单元间耦合作用对其力学性能与电化学性能的影响规律,阐明了基于静电屏蔽效应的固态电解质与锂金属界面的自修复机制和抑制锂枝晶生长的机理。主要研究成果如下:(1)三维框架结构的锂镧钛氧(LLTO)与聚氧化乙烯(PEO)复合形成连续的聚合物-氧化物界面,LLTO表面氧空位与PEO中锂盐的阴离子形成路易斯酸碱对,促进了锂盐的解离,提升复合固态电解质的离子电导率(1.13×10-4 S·cm-1);(2)氟代碳酸乙烯酯(FEC)与锂离子形成FEC--Li+,可自行修复金属锂-固态电解质界面,促进锂均匀沉积;(3)PEO与细菌纤维素(BC)通过氢键自组装成三维网络结构,同时引入具有静电屏蔽效应的Cs+,采用冷冻干燥法制备的BC-PEO-Cs+聚合物固态电解质实现了大电流密度下均匀、无枝晶的锂沉积;(4)磷酸三甲酯(TMP)改性的聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)基聚合物电解质重塑了锂离子溶剂鞘结构,原位生成的有机-无机梯度分布的正极界面层(CEI)有效抑制了正极(NCM811)的结构变化,实现了4.9 V固态锂金属电池的稳定循环;(5)基于微量的K+的静电屏蔽效应和I-/I3-诱导的死锂激活双重界面调控策略提升了锂负极稳定性,实现固态锂金属电池在2C下稳定循环1600次,容量保持率为82.7%。项目成果为锂金属电池聚合物基固态电解质的开发与设计提供理论和技术基础,具有重要的学术价值和广阔的应用前景。
氮化碳缺陷工程调控固态电解质能带结 构及其体相/界面电荷传输机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    米宏伟
  • 依托单位:
固态锂电池锂离子溶剂化行为调控及固-固界面特性研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    米宏伟
  • 依托单位:
固态电解质诱发“疏锂排斥”效应调控锂定向沉积机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    米宏伟
  • 依托单位:
高性能钠离子电池负极合金化诱发压电效应调控钠脱嵌的实现方法
  • 批准号:
    51874199
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    61.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    米宏伟
  • 依托单位:
国内基金
海外基金