液晶电解质在锂离子电池中的应用进展

发布时间：2021-02-05 21:40

　　发展高性能新型电解质是解决传统锂离子电池安全性和能量密度不足等问题的重要途径。液晶具有液体的流动性和晶体的各向异性,可以与锂盐混合制备液晶电解质,通过自组装形成柱状相、近晶相或双连续立方相等纳米偏析结构,为Li⁺的传输提供高效的离子传输通道,在锂离子电池中具有十分广阔的应用前景。尽管液晶电解质在锂离子电池中的应用研究已经取得了一些进展,但目前国内外尚未有详细的报道来总结其发展现状。因此,本文通过对相关文献的探讨,介绍了液晶电解质的研究进展,重点描述了Li⁺在非离子型和离子型液晶电解质中的离子传输机制,同时对应用于锂离子电池体系中的液晶电解质的电化学性能进行了总结。综合分析表明,液晶电解质可以通过进一步调控液晶分子的结构以及添加液态增塑剂等方式来提高其电化学性能,有望应用于高性能的锂离子电池体系。最后,本文对液晶电解质面临的挑战和未来可能的发展趋势进行了分析与展望。 

【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

非离子型液晶分子

物质在改变外界条件下从晶体向液态转变时，会先失去位置有序获得液体的易流动性,但仍保留部分晶态物质具有的各向异性取向的有序排列，形成了一种兼具晶体和液体部分性质的中间态，这种中间态被称之为液晶。其中晶体与液晶所特有的各向异性是指液晶的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异。而气体，液体以及非晶态物质则显示为各向同性，即其化学与物理性质不随方向的改变而改变。由于液晶的各向异性，其通过自组装行为形成的柱状、近晶或双连续立方相等液晶纳米偏析结构可以提供有序的锂离子传输通道[1]，进而影响电池的电化学性能(图1)。目前报道的液晶电解质根据液晶分子的结构类型可以分为非离子型和离子型液晶电解质。非离子型液晶电解质是由非离子液晶分子和锂盐组成的离子络合物[2-7]。离子型液晶电解质是指电解质中含有离子型液晶分子[8-13]。这两类液晶电解质都可以形成柱状相、近晶相或立方相结构，从而为Li+的传输提供一维、二维或三维的离子传输通道。一般来说，采用DSC可以确定液晶相的形成温度，而偏光显微镜(polarizing microscope,POM)可以直接观察到液晶相的形成及其取向结构。其中，在柱状相中，离子传导沿着柱状轴的方向进行传递；在近晶相中，离子传输发生在近晶相层内；而在立方相中，离子通过形成的有序三维孔道进行传输。本文主要介绍液晶分子作为主体的电解质材料，对于液晶分子作为添加剂的电解质未予以介绍。下文将对两类液晶电解质在锂离子电池中的应用进展进行具体介绍。

此外，Bogdanowicz等[18]首次开发了以酯基为离子传输功能性基团的液晶分子5a-b与Li TFSI混合而成的液晶电解质。经测试发现该液晶电解质的电化学窗口约为0～4 V (vs.Li/Li+)，并将其应用于Li Co O2/Li4Ti5O12电池体系中，实现了Li+的可逆沉积/溶解。遗憾的是，作者没有对该液晶电解质的液晶相行为及其离子传输机制进行详细研究。图4 (a) 60°C下Li/LC电解液/LFP电池在2.7～3.8 V (vs Li/Li+)电压范围内的倍率性能。电解质体系为：1/EC(29)、1/EC(16)以及1/EC(8);(b) 25°C下Li/LC电解液/LFP电池在2.7～3.8 V (vs Li/Li+)电压范围内的倍率性能。电解质体系为：1/EC(29)以及1/PC(32)[17]


本文编号：3019623