近日，德国亥姆霍兹研究所Stefano Passerini教授与南洋理工大学Ze Xiang Shen教授（通讯作者） 在Nano Energy 期刊上发表题为“4-Volt Flexible All-Solid-State Lithium Polymer Batteries”的研究型论文。
在这项工作中，作者报道了一种由4V级LiNi1-x Co0.2 Mnx O2 正极，锂负极和PEO10 -LiTFSI-PYR14 TFSI2 三元固态聚合物电解质组成的柔性全固态金属锂聚合物电池。与LiNi0.4 Co0.2 Mn0.4 O2 相比，富镍的LiNi0.6 Co0.2 Mn0.2 O2 正极复合材料表现出更稳定的循环性能和倍率性能。
研究发现是由于其更均匀的颗粒分布使得电子和离子导电性提高，并且界面阻抗更小。作者通过系统的研究为4 V级富镍NCM正极在实际锂金属聚合物电池中的应用提供了有效的理论基础。
2. 聚合物电解质能够实现全固态，柔性锂金属电池。
3. 锂金属聚合物电池具有较高的抗机械损伤性能。
本文报道了以4 V级LiNi0.4 Co0.2 Mn0.4 O2 或LiNi0.6 Co0.2 Mn0.2 O2 为正极活性材料，交联三元SPE(PEO10 -LiTFSI-PYR14 TFSI2 )为固态聚合物电解质，金属锂为负极的柔性全固态金属锂聚合物电池的研究。值得注意的是，即使在将电池弯曲成圆柱形并将其切割成几个部分之后，软包电池仍然可以为LED灯供电。
如图a1-a5所示的光学图像充分证明了自支撑NCM复合正极的韧性和弹性。扫描电镜(SEM)显示在低放大率下表明活性物质颗粒被很好地包裹到聚合物电解质基质中。
通过TGA和DSC测量研究了复合正极的热性能。在N2 气氛下，424和622复合电极显示出非常相似的两步分解趋势。然而，424和622在N2 和O2 气氛中都表现出相当高的热稳定性，使得它们能够通过热挤压进行生产。424和622复合电极都显示非常相似的DSC曲线(图c)，具有明显的玻璃化转变温度(Tg)以及熔融和结晶峰。
为了进行电化学性能测试，电池在3.0-4.3 V的电压范围内进行恒电流循环测试。两种电池的初始库仑效率相似，然而，随着电流密度的增加，两个电池都表现出容量的衰减，这是由于固态电解质中Li+ 扩散较差导致的高度极化。在倍率性能测试后，当两种电池在循环回到0.1 C时都会有一些容量的损失。
为了进一步研究电池的长期循环稳定性，采用424和622电极的电池在0.1 C和0.3 C下循环100圈。在0.1 C时，观察到424电极在循环时出现严重的容量衰减，导致100次循环后仅保留了初始容量的23.6%。此外，622电池表现出更稳定的循环性能，容量保持率为63.9%。经过100次循环后622电极的容量为100.1 mAh g-1 ，远远高于424电极的容量(34.5 mAh g-1 )。622电极不仅提供了更高的容量，而且在100次循环后保留了69.2%的初始容量，从而实现了更好的循环稳定性。
为了研究这种电池性能，对424和626正极组装的电池进行了循环伏安测量。以相当低的扫描速率(0.04 mV s-1 )对电池进行50次伏安循环，并在每次循环后在放电状态下测量它们的阻抗，以检查循环时界面电阻的演变。从CV曲线可以看出，424电池出现了明显的氧化还原峰位移。另一方面，622电池在循环时表现出非常高的可逆性。基于上图呈现的EIS谱，注意到424和622电极都显示出非常相似的阻抗响应。然而，622电极的Ri 在大约20个循环后稳定，之后保持相当恒定。另一方面，在整个测量过程中，424电极的Ri 不断增加。因此，与622电极相比，424电极显示出更高的界面电阻。
总之，采用富镍NCM正极复合材料制备了柔性全固态锂金属聚合物电池。由于没有有毒、易燃和挥发性液体有机电解质，固态电池极大地提高了电池的安全性。此外，它的柔韧性满足了即将到来的智能电子设备的需求。
通过对全锂金属聚合物电池的电化学性能的比较，揭示了锰在性能衰减中的可能作用机理。然而，尽管电池性能优于现有技术，但还需要进一步的研究才能使全固态柔性锂聚合物电池达到所需的水平。
4-V flexible all-solid-state lithium polymer batteries. (Nano Energy ,2019,DOI: /10.1016/j.nanoen.2019.103986)
原文链接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103986
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