青岛电池聚合物电解质材料研发取得进展

高效、安全、可靠的动力电池是制约新型近零排放汽车产业的瓶颈，也是新能源汽车的“短板”之一。

当前动力电池最大的安全隐患是电池热失控。

中科院青岛生物能源与过程研究所、青岛储能产业技术研究院在开发高安全性动力电池聚合物电解质材料系统方面取得进展，以解决这一安全问题。

并正在快速推进工业化进程。

现有的锂离子电池液态电解质体系无法满足动力电池高能量、高功率和安全性的各种要求。

青岛储能产业技术研究院研发团队提出“刚柔结合”的研发思路，研发出一系列新型聚合物电解质体系，有效解决了上述瓶颈问题，安全性能大幅提升。

“强而软”是指使用“刚性”的骨架材料，如聚酰亚胺、芳纶、聚芳基磺酰胺、玻璃纤维和纤维素（Nano Energy, , 10, ; Solid State Ionics, , , 49 -55;, 44-48; Journal电化学学会，，，，AA；高分子科学进展，，，43，）非织造材料提高电池的机械性能和尺寸热稳定性；使用“灵活”的离子传输材料，如聚环氧乙烷（PEO）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、氰基丙烯酸酯和聚碳酸亚丙酯（PPC）等，通过“组合”赋予优异的离子电导率和界面稳定性即两种或两种以上材料的组合，可以达到双赢的效果，实现综合性能的大幅提升，从而满足动力电池的要求。

本研究尊重自然、爱护事物，采用自然的方法，探索“硬与软”的复合聚合物电解质体系，实现刚与软的对立统一，以实现机械强度、耐热性、电位窗口、界面稳定性、离子电导率、等。

整体绩效的提高。

图1是“刚柔结合”凝胶聚合物电解质的设计理念。

图1 “刚柔结合”聚合物电解质的设计理念。

传统的偏二氟乙烯体系虽然具有高稳定性和高电位窗口的优点，但其离子电导率较低，机械强度和热稳定性很差。

为了改善传统偏二氟乙烯基凝胶聚合物电解质的性能，研究团队将其与聚酰亚胺、聚磺酰胺等非织造材料进行纳米级复合，既硬又软。

集成，提高尺寸热稳定性和机械强度，提高其综合性能（电化学学会学报，，，，AA；高分子材料与工程，，，，；ACS Appl. Mater. Interfaces，，5，）；为了解决锂离子迁移系数低的问题，开发了一种新型单离子聚合物硼酸锂盐作为表面增强材料（Coordination Chemistry Reviews, , , 56-73; Journal of Materials Chemistry A, , 3, ）以提高其离子迁移系数。

和兼容性，“刚柔相济”，提高电池系统的整体性能。

图2 室温聚碳酸酯基全固体聚合物电解质制备流程图。

传统聚丙烯腈聚合物电解质具有离子电导率高的优点，但其物理性能较脆，加工性能较差。

研发团队采用了新型聚合物电解质。

材料电解质基质（ACS Appl. Mater. Interfaces, , 7, ; Electrochim. Acta , , ; Electrochem.Comm. DOI: 10./j.elecom..10.），结合“刚柔相济”的设计理念，实现了腈基聚合物电解质加工性能等综合性能的提升。

凝胶基聚合物电池在提高动力电池的安全性方面发挥了重要作用，但仍使用少量易挥发、易燃的碳酸酯溶剂，在高温或极端条件下使用时仍存在一定的安全隐患，使其难以完全满足电动汽车对动力锂电池在高能量和安全性能方面的严格要求。

因此，开发新型高安全性全固态电解质体系对于提高高能量密度动力锂电池的综合性能具有重要意义。

针对传统PEO体系电位窗口较低、尺寸热稳定性和机械强度较差的问题，研究人员采用高电位氰基丙烯酸酯作为材料来增加电位窗口；他们还采用热固性纤维素无纺膜作为刚性骨架，提供尺寸热稳定性并部分提高机械强度，开发出具有高机械强度、宽电化学窗口和良好尺寸热稳定性的高度安全的全固体聚合物电解质。

相关研究成果发表在国际期刊上（Scientific Reports, , 4, ）。

针对PEO室温离子电导率低的瓶颈问题，研究人员基于科学问题本身，从影响离子电导率的分子结构出发，结合离子输运机理和动态输运的多尺度机理，设计了一种非晶态聚合物。

基于聚碳酸酯的室温全固体聚合物电解质。

经过表征发现，这种全固态聚合物电解质的室温电导率可以达到10-4S/cm量级，电化学窗口为4.6 V，倍率性能良好，并且具有室温长循环循环容量保留率为90%。

相关研究成果发表在国际期刊（Advanced Energy Materials，DOI：10./aenm.2）上。

图3 全固态聚合物锂电池四张针刺照片 研究团队制备的全固态聚合物锂电池通过针刺测试验证其安全性能（图3）。

通过测试发现，组装的6Ah大容量三元体系全固态聚合物锂电池表现出优异的安全性能。

经过四次针刺后，全固态锂电池没有起火、爆炸。

这是传统的液态锂电池。

是电池无法比拟的。

这再次证明了“柔性与刚性”电解液体系在提高高能量密度锂电池安全性能方面的优势。

青岛储能研究院采用“刚柔相济”的电解液设计理念，在高能量密度聚合物电解质电池关键材料研发方面取得一系列进展，并与中天科技公司合作开发大容量、高-安全动力或储能我们可以利用单体电池（能量密度达到Wh/kg）的产业化技术，共同推动高能量、高安全性的全固态动力电池的产业化。

同时，研发团队应用这一设计理念积极探索新一代超高能量密度锂空气二次电池的开发，并取得了可喜的进展。

（高级科学，DOI：10./advs.2）。

上述工作得到了中科院纳米项目、中科院青岛能源研究所、山东省前瞻性专项基金的支持。