從第60屆日本電池研討會看最新電池技術發展(下)

 

刊登日期:2020/5/13
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吳偉新/工研院材化所
鋰金屬保護層(液態電解液)的研發狀況
目前在液態系統下的鋰金屬保護主流技術,仍舊以機能型高分子為代表,主要可區分為單一或多成分組成,其中也不乏包含單離子導體(Single-ion Conductor)或離子型高分子(Ionic Polymer),以下將分別就上述所包含的研究內容進行報告。
1. 單一高分子組成保護層
在這項研究中,團隊預先在電極表面塗覆聚偏二氟乙烯(PVdF)。 首次給PVdF充電時,通過形成均勻的含LiF的電解質膜導致電解質分解而導致的膜生長,LiF是一種良好的鋰金屬SEI膜成分,在電極表面被還原和分解,並且可以抑制枝晶形成。 因此,可以通過使用醚和碳酸鹽電解質來實現PVdF塗層的效果。Beta-PVDF厚度4μm可以讓初始鋰沈積大量LiF。以DMAc溶解PVDF,塗布10nm-2μm於銅箔上,以LiFSI/G4=1/2 by mol測試LiFSI/glyme時:結果顯示,10-15nm膜厚有最好庫倫效率,但初始成核反應較大,50nm即可以抑制。膜厚2μm有最差沈積形貌,10-15μm有最佳形貌,高電流密度循環時,50nm膜的表現可以趕上20nm膜。研究還發現,PVDF膜可以抑制部分電解液分解,以cv測定反應峰有被抑制,以XPS測定LiF量有大幅增加。當電解液為LiFSI/DME時:10nm與2μm庫倫效率效果差異不大,但2μm有較差的成核電位。因此結果顯示出,不同的電解液搭配上不同的高分子保護層厚度,效益也將會有所不同,這取決於當下的電解液在透過這層保護膜時所產生的SEI是否可改變其組成分,將會決定鋰金屬的壽命。
 
2. 多成分高分子組成保護層
透過這項研究得知,具有鋰離子傳導性而不會分解為電解質溶液的架橋,通過用聚環氧乙烷聚合物具有覆蓋鋰負極的表面特性,解決了披覆性問題,並且改善了充電/放電特性。在此,作為交聯聚環氧乙烷聚合物的聚乙二醇二丙烯酸(PEGDA)和聚乙二醇,交聯聚合物塗層與丙烯酸甲酯(PEGMA)混合比對鋰沉澱和溶解反應的影響進行研究。聚乙二醇塗覆有調整的一定混合比的鋰電極與未塗覆的鋰電極相比,過電壓降低了,並通過了100次循環,且過電壓和穩定的沉澱溶液幾乎沒有增加。此外,通過XPS光譜分析PEGDA-PEGMA與未塗覆的鋰金屬相比,生成的SEI更薄,沉澱溶解中的過電壓已經減小。其中,Poly(PRGMA-co-PEGDA)比例由0-100已經過保液量與導電率的探討,其中,PEGDA 0.1%時有最小過電壓,而100%是最大,結果顯示,雖然塗布層越密大過電壓越高,但同時其披覆性卻可幫助穩定循環。另外,Poly(PRGMA-co-PEGDA) 0.1-99.9%可有助於鋰離子傳導。
 
鋰金屬保護層(固態電解質)的研發狀況
至今,對於量產固態電池的其中之一瓶頸,主要取決於介面層組成,大致上可區分為擬膠態(Gel Like)與無機奈米層(Inorganic NP Layer),另外也包含高分子與無機奈米粒子的複合物。各類鋰金屬與電解質介面組成之運作差異如表四,將其分類後並進行會議重點報告。
 
表四、各類鋰金屬與電解質介面組成之運作差異
表四、各類鋰金屬與電解質介面組成之運作差異
 
矽負極的開發成果
本次會議討論中有針對矽負極循環壽命的改善,進行各項關鍵問題的檢討,其內容大致可如以下表五所列,包含了---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

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