固態(tài)電解質(zhì)與電極間界面相親性

▲第一作者：趙磊

通訊作者：冉奮

通訊單位：蘭州理工大學(xué)

01 全文速覽

本文從電極與非液態(tài)電解質(zhì)在界面處電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)出發(fā)，闡明電極與非液態(tài)電解質(zhì)界面相親性的基本內(nèi)容及其對(duì)電極電化學(xué)儲(chǔ)能性能的影響機(jī)制。從2D到3D系統(tǒng)全面地評(píng)價(jià)構(gòu)建相親的電極/非液態(tài)電解質(zhì)界面的設(shè)計(jì)思路、改性策略和研究進(jìn)展。

02 背景介紹

近年來在合成具有高離子電導(dǎo)率的非液體電解質(zhì)方面取得的進(jìn)展使固態(tài)儲(chǔ)能器件領(lǐng)域的研究重新煥發(fā)生機(jī)，并有望提供更安全的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而非液態(tài)電解質(zhì)骨架的柔軟性較差、流動(dòng)性不好、甚至無流動(dòng)性導(dǎo)致非液體電解質(zhì)與電極間相親性較差。這較差相親的電極/電解質(zhì)界面造成固態(tài)儲(chǔ)能器件在充放電過程中電解質(zhì)離子在電極/非液體電解質(zhì)界面的遷移困難和分布不均。因此，相親的電極/非液態(tài)電解質(zhì)界面的構(gòu)建是極其重要且迫切需要。近年來，構(gòu)建相親的電極/非液體電解質(zhì)界面的改性策略被不斷開發(fā)出來，并有效地克服了上述問題。盡管這一課題研究對(duì)加快非液態(tài)電解質(zhì)的進(jìn)展和固態(tài)儲(chǔ)能器件的商業(yè)化產(chǎn)生很大的影響，但是仍然缺乏系統(tǒng)而全面的分析、討論和總結(jié)。

03 本文亮點(diǎn)

i）從電極與非液態(tài)電解質(zhì)在界面處電化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)出發(fā)，闡明為何構(gòu)建相親的界面；

ii）從2D到3D系統(tǒng)全面的評(píng)價(jià)構(gòu)建相親性界面的改性策略和設(shè)計(jì)思路；

iii）提出兼顧其它因素的辯證性研究方法和從微觀視角深入理解電極與非液態(tài)電解質(zhì)間的相親性。

04 圖文解析

1、電極與非液態(tài)電解質(zhì)界面相親的原因

概述非液態(tài)電解質(zhì)并說明各種非液態(tài)電解質(zhì)與電極間可能存在的界面相親性問題；分析闡明電極與非液態(tài)電解質(zhì)間相親性包含的基本內(nèi)容（圖1）；歸納總結(jié)電極與非液態(tài)電解質(zhì)間界面相親性發(fā)展的歷史路線圖（圖2）；分析討論電極與非液態(tài)電解質(zhì)界面相親性對(duì)電極和固態(tài)儲(chǔ)能器件儲(chǔ)能性能的影響；闡述可用于電極/非液態(tài)電解質(zhì)界面相親性研究的先進(jìn)表征手段。



▲圖1示意說明電極與非液態(tài)電解質(zhì)界面相親的狀態(tài)



▲圖2電極與非液態(tài)電解質(zhì)相親性發(fā)展的歷史路線圖

2、2D相親性界面的構(gòu)建策略

相親的電極/非液態(tài)電解質(zhì)界面能有效提高電極及其儲(chǔ)能器件的儲(chǔ)能性能。但是電極與非液態(tài)電解質(zhì)間界面的本征相親性較差，尤其是電極與無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)間的界面（因?yàn)閮煞N剛性固體材料會(huì)發(fā)生點(diǎn)接觸）。為了在電極與非液態(tài)電解質(zhì)間構(gòu)建2D相親的界面通常采用表面包覆（圖3）、原位反應(yīng)（圖4）、表面處理（圖5）、添加少量液態(tài)電解質(zhì)（圖6）等界面改性策略。



▲圖3原位表面包覆無機(jī)離子導(dǎo)體構(gòu)建2D相親的電極/非液態(tài)電解質(zhì)界面和電化學(xué)性能



▲圖4原位反應(yīng)形成高離子導(dǎo)電率中間層的熱力學(xué)條件和制備方法



▲圖5示意說明表面處理構(gòu)建2D相親的電極/無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)界面和電化學(xué)性能



▲圖6示意說明添加少量液態(tài)電解質(zhì)在電極與無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)間構(gòu)建2D相親性界面和電化學(xué)性能

3、3D相親性界面的構(gòu)建策略

盡管2D相親的電極/非液體電解質(zhì)界面的構(gòu)建顯著緩解了整塊電極與非液體電解質(zhì)膜間離子遷移和電化學(xué)反應(yīng)的問題，但電極內(nèi)部的電極活性物質(zhì)仍然難以與電解質(zhì)離子接觸，因?yàn)殡娊赓|(zhì)離子很難從非液體電解質(zhì)框架中掙脫直接進(jìn)入電極內(nèi)部。因此，通過將離子導(dǎo)體引入電極內(nèi)部（圖7）、將電極活性物質(zhì)引入非液體電解質(zhì)（圖8）和設(shè)計(jì)一體化儲(chǔ)能器件（圖9）可以構(gòu)建電極與非液體電解質(zhì)之間的3D相親性界面。這種3D相親性界面可以為電解質(zhì)離子在電極內(nèi)部傳輸提供連續(xù)快速的通路，使電極表面和電極內(nèi)部的電極材料的表面都能與電解質(zhì)離子發(fā)生有效的電化學(xué)相互作用。



▲圖7通過引入離子導(dǎo)體進(jìn)入電極中構(gòu)建3D相親的電極/非液態(tài)電解質(zhì)界面



▲圖8通過引入電極材料進(jìn)入非液態(tài)電解質(zhì)中構(gòu)建3D相親的電極/非液態(tài)電解質(zhì)界面



▲圖9構(gòu)建一體化固態(tài)儲(chǔ)能器件

05 總結(jié)與展望

本文聚焦電極與非液態(tài)電解質(zhì)界面相親性。首先從非液態(tài)電解質(zhì)的物化特征和電極電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)出發(fā)，闡釋電極與非液態(tài)電解質(zhì)的界面相親性的基本內(nèi)容，并分析界面相親性對(duì)電極的電化學(xué)儲(chǔ)能性能的影響機(jī)制。然后，從2D 到3D系統(tǒng)而全面的評(píng)估構(gòu)建相親的電極/非液態(tài)電解質(zhì)界面的設(shè)計(jì)思路、改性策略和研究進(jìn)展。

最后期望研究者能夠在發(fā)展新的改性策略、引用“雙導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)”的概念、采用辯證的研究方法，微觀視角的深入理解和可工業(yè)化生產(chǎn)這些方向開展電極/非液態(tài)電解質(zhì)界面的相親性研究。以此推動(dòng)非液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)儲(chǔ)能器件的發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用。





審核編輯：劉清