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研究背景

全固態(tài)電池因其高能量密度與高安全性而受到廣泛關(guān)注。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，其中，聚合物固態(tài)電解質(zhì)具有優(yōu)異的柔韌性以及與電極之間良好的兼容性，但是存在離子電導(dǎo)率低、電化學(xué)穩(wěn)定性差等問(wèn)題；而陶瓷電解質(zhì)具有較高的離子電導(dǎo)率和優(yōu)異的物理、熱學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性，但通常與電極材料接觸不良且存在高界面電阻。為綜合上述兩種固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，以獲得結(jié)構(gòu)和性能上的平衡，研究人員通過(guò)在聚合物電解質(zhì)基質(zhì)中分散陶瓷顆粒或?qū)⒕酆衔镫娊赓|(zhì)浸潤(rùn)到陶瓷框架中，開(kāi)發(fā)了復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)（CSEs）的概念。

然而，高性能CSEs中陶瓷電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。聚合物基質(zhì)內(nèi)的孤立陶瓷顆粒可能導(dǎo)致陶瓷與聚合物之間的離子傳輸效率低下，且聚合物內(nèi)的隨機(jī)陶瓷框架具有高扭曲性和低柔韌性，可能影響離子傳輸和電化學(xué)性能。此外，CSE的厚度對(duì)離子傳輸和電化學(xué)性能也有直接影響。對(duì)于大多數(shù)陶瓷纖維網(wǎng)絡(luò)，由于陶瓷排列與電極表面平行，離子傳輸會(huì)受到一定的限制。因此，構(gòu)建具有垂直排列、相互連通以及低扭曲度的超薄CSE，與聚合物電解質(zhì)復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)短距離和快速離子傳遞途徑，從而實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率是非常理想的解決途徑。

成果簡(jiǎn)介

本工作首次開(kāi)發(fā)了一種“垂直”纖維素分層模板，可以通過(guò)纖維方向和各向異性纖維素薄膜的厚度來(lái)精確控制。利用這種模板制備了具有低扭曲度和均勻孔隙度的垂直排列的Li7La3Zr2O12（LLZO）陶瓷膜。將聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PEO）聚合物納入LLZO結(jié)構(gòu)中，制備得到柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)（CSEs），并表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度、高離子電導(dǎo)率（2.1×10-4Scm-1）以及與鋰負(fù)極優(yōu)良的界面兼容性。以該CSEs組裝的LiFePO4/Li全電池在200圈循環(huán)后仍能達(dá)到172.3mAhg-1的放電容量，庫(kù)侖效率超過(guò)99%，容量保持率為93.1%。這些結(jié)果表明，對(duì)垂直纖維素分層模板尺寸和結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)在制備高安全、高性能柔性LLZO@PEO-LiTFSICSEs方面具有良好的應(yīng)用前景。

圖文詳情

圖1各向異性纖維素薄膜、垂直排列的LLZO陶瓷膜以及CSE的制備過(guò)程示意圖

圖2各向異性纖維素薄膜、纖維素分層模板和垂直排列的LLZO陶瓷膜的物性表證

圖3多尺度定向排列的LLZO@PEO-LiTFSI復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)（CSE）

圖4多尺度垂直定向LLZO@PEO-LiTFSI復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)在25°C下的電化學(xué)性能

圖525°C下多尺度垂直定向LLZO@PEO-LiTFSICSE在Li/LFP電池中的電化學(xué)性能

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/eom2.12317

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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