功能性La@CeO2纳米填料引入PEO聚合物电解质构建高性能全固态锂金属电池

李健辉,张子良 (安徽工业大学材料科学与工程学院)

摘要: 用六水合硝酸镧(La(NO3)3·6H2O)和六水合硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)通过水热合成法反应合成了富含氧空位的La掺杂CeO2(La@CeO2)纳米填料,将所得到的纳米填料引入聚环氧乙烷(PEO)基质中,采用溶液铸法制备了PEO/LiTFSI/x(0.2La@CeO2)(x =0%,5%,10%,15%)复合固态电解质(CSEs)。采用XRD、SEM、EDS、EPR对La@CeO2 纳米填料进行了表征,对CSEs的物理性能进行了DSC、TGA和力学性能测试,并测试了其电化学性能。结果表明,水热合成的La@CeO2 纳米填料表面含有丰富的氧空位,含有10%(质量分数)0.2La@CeO2纳米颗粒填料的复合固态电解质表现出了高的锂离子传输性能、良好的循环性能和倍率性能。与PEO/LiTFSI无填料的电解质相比,在60℃时离子电导率为2.5×10-4S/cm,锂离子迁移数为0.55,电化学稳定性为4.9V,抗拉强度显著提升,复合固态电解质与锂金属具有良好的界面相容性,在0.1mA/cm2 的电流密度下,组装的锂对称电池能够稳定运行1200h。同时,组装的LiFePO4|PEO/LiTFSI/10%(0.2La@CeO2)|Li电池在0.5C下循环280次后放电容量仍保持在145.4mAh/g,容量保持率为91.9%,库仑效率仍保持在97.6%的高水平。为构建下一代固态电池高效柔性PEO基固体聚合物电解质提供了可行策略。

关键词: 复合固态电解质;La@CeO2;氧空位;锂离子传输