【儀表網 研發快訊】基于硫化物固態電解質的全固態二次電池被認為是最具潛力的下一代新能源體系之一，其中聚合物/硫化物復合薄層化電解質的制備是該類電池大幅提升能量密度和大規模生產的最關鍵技術之一。特別是干法制造技術，因其環保、經濟效益高、利于制備厚電極并規避有機溶劑等優勢，受到廣泛青睞。現今主要基于聚四氟乙烯(PTFE)粘結劑成纖化的主流無溶劑工藝存在粘結性不佳、機械性能差、界面電化學不穩定等劣勢。
 

　　近日，青島能源所固態能源系統技術中心在崔光磊研究員帶領下，董杉木研究員、胡磊博士等利用熔融黏結技術，干法制備出具有出色柔韌性的超薄硫化物固態電解質膜，其優異的力學性能、離子電導率以及應力耗散特性可有效抑制電池內部應力不均導致的機械力失效。該方法制備的高面載量LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2(NCM83)正極(活性材料≥50 mg/cm2)與多孔鋁集流體具有優異粘結性，實現界面融合，有效規避傳統濕法正極容易產生裂紋問題，制備出的一體化全固態電池具有優異的界面穩定性、長循環性能。研究成果以“Fusion Bonding Technique for Solvent-free Fabrication of All-solid-state Battery with Ultra-thin Sulfide Electrolyte”為題發表在Advanced Materials上，青島能源所崔光磊、董杉木為論文通訊作者，胡磊和博士生任鈺朗為共同第一作者。
 

圖1 硫化物固態電解質膜的照片和SEM展示以及SX-CT對應力耗散機制的解析
 

　　研究團隊針對目前干法制備過程中各組分分散不均問題，提出低壓力制備的熔融粘結策略，在粘流態下將低粘度的熱塑性聚酰胺(TPA)與硫化物Li6PS5Cl進行預混，較低壓力下(≤ 5MPa)熱壓成型，誘導TPA在硫化物顆粒間隙滲透，構建聚合物逾滲網絡，實現超薄成膜(厚度≤ 25μm)的同時，兼具優異的柔韌性、熱塑性、可彎曲性、拉伸性和較高離子電導率(2.1 mS/cm)。使用同步輻射X射線斷層掃描(SX-CT)對循環過后的對稱電池進行觀測，發現該超薄膜能夠有效抑制循環過程中因電極體積膨脹帶來的界面分離和電解質碎裂等問題，保持界面穩定，證明在固態電解質內部構建完整的聚合物逾滲網絡，不僅有利于其薄層化，更有利于耗散電池運行過程中的不均勻內應力，降低力機械失效風險。
 

圖2 一體化硫化物全固態電池的長循環性能
 

　　研究團隊以正極和薄層電解質的界面熔融粘結為策略，制備出的一體化全固態電池，適配鋰銦負極，707次循環后容量保持率大于80%；適配純硅負極(μSi)，478次循環后容量保持率大于80%，可循環2000次。在高負載NCM83(28.5 mg·cm-2)|| μSi全電池中，經過9200小時、1400次循環后，其面容量保持大于2.5 mAh·cm-2，循環壽命超過10000小時，進一步提升NCM83載量到53.1 mg·cm-2，其能量密度超過390 Wh/kg，1020 Wh/L，高于目前文獻所報道的高鎳三元體系的硫化物全固態電池。研究團隊基于該策略分別組裝了Bipolar(5-8.5V)和高面載量(2.79 mAh/cm2)單片軟包二次電池，表明熔融黏結技術具有出色的實用性潛力，對硫化物全固態電池的商業化具有重要意義，為全固態電池未來科學研究和工藝技術發展提供有力參考。(文/圖 胡磊)