锂电池体系中固态电解质的原位生长及其形成机理研究

Lithium batteries, considered as important devices for energy storage, have good application potentials. However, traditional lithium batteries have some safety issues, e.g. flammability and weak thermal stability, due to use of organic liquid electrolytes. Besides, improvement of energy density is limited. Energy density could be significantly improved by using lithium metal as anode. But, there are some problems for application of lithium anode, because lithium is extremely unstable in liquid electrolyte, which causes the formation of dendrite. It is generally accepted that above-mentioned problems could be solved by solid state lithium batteries. Besides solid state electrolyte materials, studies about interface are very crucial for solid state batteries. Here, in-situ growth of solid state electrolyte and its formation mechanism are investigated, in order to solve the interface problems. In detail, liquid electrolyte would be electrochemically converted to solid state electrolyte in liquid battery system, forming solid electrolyte interface in-situ. Meanwhile, lithium anode would be effectively stabilized. In addition, considering some electrolytes may remain in battery after electrochemical conversion, liquid electrolyte would be further converted to gel electrolyte by self polymerization. Based on above, solid state battery with good performance would be presented via novel in-situ preparation methods, in order to effectively the interface problem. The project would provide some new strategies for studies of interface, meanwhile, some important issues, e.g. lithium protection and SEI formation, would be deeply understood here.

锂离子电池作为一种重要的储能器件，具有良好的应用前景。传统锂电池由于使用液态电解液，存在易燃和热稳定性差等安全性问题。此外，其能量密度的提升也受到限制。金属锂作为负极，可以有效提高电池的能量密度。但在液态电池体系中，锂极不稳定，导致枝晶形成。固态锂电池的出现，为上述问题的解决带来了希望。在其研究中，除了开发固态电解质材料，界面问题的研究也至关重要。为解决界面问题，本项目拟研究基于原位方法生长固态电解质界面层及其形成机理。具体地，在液态电池体系中，通过电化学方法将电解液转换为固态电解质，实现固态电解质界面层的原位生长，同时稳定锂负极。此外，考虑到电化学转化后部分电解液可能残存于电池中，通过电解液的设计，利用电解液自身的聚合特性，将剩余电解液转化为凝胶电解质，构建高性能固态锂电池，解决界面问题。本研究为解决固态电池的界面问题提供了崭新的研究思路，同时提升对锂负极保护以及SEI生长的认识。

固态锂电池有望兼顾实现电池高能量密度和高安全性，被认为是最具潜力的新一代锂电池技术。在其研究中，除了开发固态电解质材料，界面问题的研究也至关重要。为解决界面问题，本项目研究了基于原位方法生长固态电解质及其形成机理。具体地，在液态电池中，通过电化学方法将电解液原位转化为固态电解质，同时稳定金属锂负极。此外，考虑到电化学转化后部分电解液可能残存于电池中，通过电解液的设计，调控电解液的聚合特性，将剩余的电解液在电池内部原位聚合转化为聚合物固态电解质，以解决界面问题。本项目按照研究计划执行情况良好，如期完成了（1）新型电解液的设计优化以及自聚合行为研究、（2）金属锂负极表面锂沉积／脱出行为动力学研究、（3）固态电解质界面层原位生长研究这三方面研究内容，并取得了相应研究成果。本项目研制出了耐高温（~80oC）并稳定金属锂的新型电解液；在此基础上，探索并实现了固态电解质-金属锂负极侧（LATP-Li）固态电解质界面层的电化学原位生长，有效降低了界面电阻并稳定了界面；实现了功能型电解液在电池内部的原位聚合，有效降低界面电阻的同时，通过调控固态电解质-正/负极界面原位形成CEI/SEI界面层，有效抑制了固态电解质-电极间的界面副反应，使其可同时匹配金属锂负极和高容量LiCoO2正极。在上述研究的基础上，实现了基于原位方法构建固态金属锂电池，制备出了单体容量~10Ah、能量密度~300Wh/kg的固态金属锂软包电池。本项目共发表英文SCI学术论文7篇，申请中国发明专利4项，完成了项目预期目标。在科学上，本项目获得了基于电化学和化学聚合两种策略的固态电解质原位生长关键技术，并解决了相应科学问题。在应用上，本项目提出的原位方法可以兼容现有大部分液态锂离子电池生产设备来制备固态锂电池，对今后固态锂电池的高效、低成本规模化制备具有指导意义。