化解固态电池SEI膜问题 固态电解质开发了新思路

根据宾夕法尼亚州立大学的研究人员的说法，使用新开发的固体电解质界面膜（SEI）可以实现具有更高能量密度，性能和安全性的可充电锂金属电池。

对于更高能量密度目标的进一步达成，以金属锂为负极的锂金属电池已成为必然选择。这是因为锂金属的容量为3860mAh/g，约为石墨的10倍，由于其本身就是锂源，正极材料选择面宽，可以是含锂或不含锂的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空气，分别组成能量密度更高的锂硫和锂空电池。

锂金属电池的研究最早可追溯到上世纪60年代，但金属锂负极在液态电池中存在一系列技术问题至今仍缺乏有效的解决方法，比如金属锂与液态电解质界面副反应多、SEI膜分布不均匀且不稳定导致循环寿命差，金属锂的不均匀沉积和溶解导致锂枝晶和孔洞的不均匀形成，从而引发安全问题。

基于以上原因，很多研究者把解决金属锂负极的应用问题寄希望于固态电解质的使用。主要思路是避免液体电解质中持续发生的副反应，同时利用固体电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成。

SEI是稳定可充电电池锂金属负极的关键，然而，由于受到循环不断改造和电解质消耗。SEI分布不均匀和不稳定是技术研发的难题。

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充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%

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根据宾夕法尼亚州立大学的研究人员的说法，使用新开发的固体电解质界面膜(SEI)可以实现具有更高能量密度，性能和安全性的可充电锂金属电池。

在上述研究人员在NatureMaterials的一篇论文中，介绍了使用反应性聚合物复合材料SEI设计，有效地抑制了SEI形成和维护电解质消耗。

该文章的作者王东海(音译)在文章中表示，SEI膜通过锂和电池中的电解质之间的反应自然形成。但它表现不佳导致很多问题。这就是锂金属电池不能持续更长时间的原因，在这个研究项目中，我们使用聚合物复合材料来创造更好的SEI。

新的SEI层由聚合锂盐，氟化锂纳米颗粒和氧化石墨烯片组成。该结构不同于传统的电解质衍生的SEI，并且具有优异的钝化性能，均匀性和机械强度。

该团队报告说，使用聚合物-无机SEI能够在贫电解质下，限制锂过量和高容量条件下实现高效锂沉积和4VLi|LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2电池的稳定循环。同样的方法也适用于设计钠和锌阳极的稳定SEI层。

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业内分析说，实现稳定的锂界面需要大量的分子水平控制。王海东团队设计的聚合物反应与锂金属表面形成爪状键合。它以无源方式赋予锂表面所需的能量，使其不与电解质中的分子发生反应。复合材料中的纳米片充当机械屏障以防止由锂金属形成枝晶。

通过化学和工程设计，各领域之间的合作使该技术能够在原子尺度上控制锂表面。反应性聚合物还降低了重量和制造成本，进一步增强了锂金属电池产业化的可能性。

据悉，该项目还获得了美国能源部和国家科学基金会的车辆技术办公室的支持。