摘要
锂离子电池（LIBs）由于具有高能量密度、长循环寿命、低成本等优点，被广泛应用于电子设备和新能源汽车等。然而，使用有机液态电解质的传统锂离子电池因其易泄露和燃烧等一系列安全问题，阻碍其在新能源汽车和大规模储能的应用。固态电解质因其具有高的安全性、宽的电化学窗口、好的热稳定性和化学稳定性等优点，是非常有前景的取代传统液态电解质的材料。典型的固态电解质有有机聚合物和无机陶瓷固态电解质，其中有机的聚氧乙烯（PEO）和无机的Li1.3Al0.3Ti1.7（PO4）3（LATP）固态电解质近年来引起了广泛关注。然而两种电解质都存在一些问题有待改善，比如无论是有机还是无机电解质，其与Li金属界面存在不稳定性和不兼容性；另外，两种电解质的离子电导率相对较低，影响电池高倍率容量的发挥。因此，本文设计制备基于聚氧化乙烯的有机-无机复合固态电解质，实现了离子电导率和对锂金属负极界面稳定性的双提升，从而使固态锂电池具有优异的电化学性能，具体的内容包括以下三方面：（1）由于PEO聚合物固态电解质本身良好的柔韧性，LATP有良好的离子电导率和高的热稳定性，结合两者的优点，陶瓷-聚合物复合电解质的构造可以是一种有效优化固态电池性能的策略。我们设计制备了PEO-LiTFSI/NC@LATP双层的有机-无机复合固态电解质优化电池性能。其中，硝化纤维素（NC）填料改性的PEO-LiTFSI/NC聚合物电解质作为界面中间层实现了锂金属负极与LATP的一体化，减小了界面阻抗，提高了电池的倍率性能和循环稳定性。结果显示，在0.2C的循环下固态电池的初始放电比容量分别为163.5 mAh g−1，循环了200 圈后，放电比容量仍保持在135 mAh g-1，并且库仑效率保持在99.64%。 （2）采用低成本多聚磷酸铵（APP）无机物作为填料优化了PEO基固态电解质的界面稳定性和离子电导率。加入的 APP 填料在界面可以与锂金属负极反应生成Li3N-LiPO3界面中间层，可以有效地抑制锂枝晶从而提高电池循环寿命；并且，APP的加入降低了PEO的结晶度，提高了离子电导率（60℃下的离子电导率为9.3×10-4 S cm-1），减小电池极化。结果显示，在电流密度为0.1 mA cm-2时，锂对称电池循环工作超过1300 h，并且极化电压的大小不超过30 mV。 （3）我们用纳米纤维 PAN 膜作为框架制备了超薄（15μm）的聚丙烯腈PAN-TiO2/PEO-LiTFSI复合固态电解质，使固态电池具有高的倍率性能和循环稳定性。在0.2C下可以循环300圈。结果显示，与传统的PEO/LiTFSI|Li界面相比，新型复合固态电解质与锂金属负极具有稳定的界面，且界面电阻更低。PAN-TiO2/PEO-LiTFSI固态聚合物电解质的锂对称电池在0.1 mA cm-2电流密度下表现出超长的循环寿命（2000 h）和极低的极化电压（40 mV）。同时有着较大的临界电流密度（1 mA cm-2）。由此， PAN-PEO/LiTFSI固体电解质在Li||LFP电池中表现出比普通PEO/LiTFSI更好的倍率性能和循环稳定性。
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