吴锋课题组：电解质——从液态锂离子电池到全固态锂离子电池的枢纽

能见APP讯：9月28日—29日，第六届新能源汽车、动力电池及其关键材料技术峰会在国家级衢州开发区（国家高新区）召开。吴锋课题组成员陈人杰做代表分享研究成果，报告侧重点在固态电解质材料基于离子液体复合固态电解质材料研究工作。

以下为发言全文：

大家好，非常高兴受到组委会的邀请参加此次会议，我将代表吴锋课题组讲一些电解质方面的研究工作进展。上面老师们也提固态电池也是未来发展方向。所以今天我的报告侧重点在固态电解质材料基于离子液体复合固态电解质材料研究工作。

从以下四个方面介绍。

首先简单看一下这个背景。这些照片都显示了锂电池由于各方面导致的一系列安全事故，前面的企业报告也不断提升锂离子性能，功能特性，最为重要是安全性能。如果安全发生问题以后，直接导致我们产品都会招回或者很多严重的后果。

所以要提高锂离子电池安全性，我们看一下这个表，这个表显示了锂离子发生热失控的时候不发生一系列反映，接下来随着不断的聚集，相应发生一系列的放热反映，最后导致我们电池失效，从安全性角度来看的话，要去解决锂离子电池一些材料的改进，那么电解质是首要的选择。电解液提高安全性主要有以下几个方面，包括组燃添加剂，要选择新型的体系，包括液体。还有面向高安全固态电解质，那么今天我将重点介绍第二个和第三个部分如何将离子液体到复合固态。我们看一下固态电解质的研究进展。这篇文章是我们今年发展的这个期刊上的。大家感兴趣可以查一下。这个文章里详细介绍了固态电解质的分类，还有它的导电机理，它的性能对比，这个也是我们未来技术瓶颈，从材料的体相、表面，界面和精界四个方面分析了一些材料的属性和如何做进一步的提高，同时呢，可能大家也能经常看到很多的一些最新科技前沿报道，就是未来随着电子产品的柔性化，那么也会对我们电池提高柔性化的特征。那么实现固态电池柔性化也是一个很好的发展方向。那么在这里主要是实现固态电解质的柔性化。那么，在这面综述里面我们提出一些核心技术手段，和评价的参数。，最终我对电池新体系，包括具有高能量密度的锂流、锂控这些新体系，如何开发新型的固态的电解质，也提出了一些新的分析，那么大家可以详细看一下。

这个图把所有现有固态电解质种类进行了罗列，主要三个方面，一个是无机固态电解质，还有无机有机复合的电解质。

那么这个图显示无机固态电解质当中四类氧化物的固态电解质。（PPT）

这个是硫化物的固态电解质。还有一类无机固态电解质是氮化物。那么，有机聚合固态电解质。主要包括两个方面，一个是无对级聚合物，还有就是对级（音）聚合物。那么他们基于的传导机理都不一样的。

那么，第三个类别就是有机无机复合的。根据本身是否具有传导离子功能分为惰性添料与活性添料两类，我们课题组当中，我们工作大部分做的有机无机电解质材料。可以能实现整体性能得到最优，可以得到很好的未来发展应用。

这个表格我们把上述所有的这个固态电解质都进行了罗列，显示了不同的这种基本的变化性能和未来实际电池应用中发展的趋势。（参考PPT）

这个图上面这个图展示三类固态电解质的不同的产品基理。下面三个图分别介绍了固态电解质中存在的四个方面的一个技术瓶颈，分别是体相，还有表面方面，界面方面，还有精界方面。这四个方面的基础研究，或者在实际应用中得到一些理论的解释或者提升。那么可以有助于新型材料的开发，也能在未来发展当中推向应用。

这个表格显示了我们固态电解质柔性化的参数的列表。现在我们很多的一些工作报道都是说开发了一种新型固态电解质，也都说可以柔性化，实现柔性化这个特点。但是现在还没有这种柔性化的评判的标准。所以我们在这个文章里，借用了一些力学，机械性，对固态电解质的柔性化进行了分析，包括拉伸测试，而且针对我们的不同材料都给出了一些参数的选择依据。这可以作为未来我们柔性化的固态电解质材料开发的一个性能的评价标准。

下面再介绍一下我们课题组在近几年做了一些新型电解质工作。我们引入了离子液体这种材料。众所周知，离子液体被称之为室温熔燕，由有机阳离子和无机阴离子组合。特性就是蒸汽压低，不容易燃烧，热稳定性好，电化学窗口宽。所以得到了一系列的应用，开发不同的电解质材料或者作为独立的电解质成风或者复合的电解质材料运用到电解质材料当中，开发的方式有以下三方面，比如作为溶剂添加剂应用在业态当中，还有作为增塑剂形式应用离子液体型凝胶聚合物电解质，那么这是属于有机固态电解质类别。第三种作为离子源引入到无机物体系中，形成离子凝胶电解质，那么这个是属于无机和有机复合固态电解质类。

那么，主要的研究思路有以下四个方面。第一个就是针对锂离子电池本身具有的特性，或者我们开发这种电池的产品的时候，比如说我们要适用高电压的一些材料或者开发一些宽的温度适用范围的电池，那么我们就要选择一些不同类别的离子液体的电解液材料。或者把这个窗口做宽。或者他们它的高温和低温的适用性能所以我们要开发不同类别的。

另外离子液体还要跟锂盐进行匹配，这里面就要筛选不同的锂盐和它进行优化。

第三个方面，我前面介绍了很多离子液体的优点，其实也存在一些不足。我们从第一个图可以看到它的组成成分是大的机构的阴阳离子，这样在电解液传递过程当中导致了黏度高，锂离子迁移速度慢一些，所以电导率不足一些。所以，为了消除这个不足，我们有机溶剂与离子液体融合，开发这种二元或者多元的溶剂体系及那么在这里选择有机溶剂选择热稳定性良好的溶剂与之相匹配。这样不会把电解液做得易挥发。

第四个就是将离子液体和聚合物，或者无机复合材料进行组合开发这种固态电解质材料。那么它的复合方式也有很多种。包括这种胶链共聚（音），或者是在离子液体结构链上加入一些可聚合的官能团，形成这种聚合的离子液体固体。

这个工作是我们开发的这种离子液体基，共融剂，二元多元的电解质材料。那么我们选择的溶剂就像我刚刚介绍的我要选择热稳定性很好，本身安全稳定的，综合性能优良的溶剂与之匹配，提高它的电导率，这里就是亚硫酸溶剂体系，那么这是二甲基亚硫酸组合，亚硫酸堆集脂（音）。那么一个是链状，一个环状。在这里我们希望考量一下不同的组分和不同的配比能判断得到一个最优电解质的配方，在这里我们评价了系列的变化性能和热学稳定性都可以看到有不易燃的特征。

那么它在零下四摄氏度到6摄氏度范围内有一个很好的应用。

这个图展示了我们系列电解质研究配方当中思考的问题，这是电解液的研究，我看到有一些名单电解液的企业参加此次会议，我相信大家感同身受，在电解液配方筛选的时候，，有很多难处，因为它是组成成分比较多。涉及到锂盐、溶剂、添加剂、那么，还有它的一个多元、二云、三元，还有更多的，那么还有组分到底是多少合适，就像我们中药筛选一样，难度非常大，要求有大量的工作，所以我们基于十多年研究工作，我们做了这样一个分析，那么将其中的内环离子液体组成成分，外环添加了不同的溶剂体系，不同的微结构特征，还有不同的组分，与之匹配，拉我们判断什么样的组分，什么配比达到最优的性能，性能我们考虑什么？这四个方面，电导率，热稳定性，对应的安性。还有SEI膜的性能。这是我们经常说三高性能高能量密度，还有高安全性，长寿命特征，通过我们分析，我们最后筛选出两个类别的，这样一个规律性，或者半经验式推导。都是红色的这部分表示了性能是良好的。通过分析它的结构，我们提出了环链协同效应，对应环链形状和链状溶剂的匹配，或者链状的离子液体和环状溶剂匹配，同时要选择一个适宜配比的范围，达到一个最优的电解质配方。这个工作是发表在去年的期刊上的一个文章，大家可以检索这个文章，可以看到里头更详细的内容。

接下来我们选择了不同的离子液体和无机复合物进行匹配，包括花样划归，华语乐坛开发。就像隐性眼睛一样这种固态电解质材料。

这是我们做第一项工作，新型准固态的三元纳米复合电解质、那么选择的是醚咗类离子液体，匹配了二氧化硅做主架，开发了复合电解质材料。那么它的电导率可以在10的-3，700厘米以上。

进一步我们将拿它与不同的电子材料匹配，而且还做成全链值进行评价。都有一个很好的循环稳定性能而且在这里我们还这里测完了它的高温特性。

接下来我们开发系列的LONOGEL，判断有机和无机的适宜的配比范围，选择最优的变化性能的固态电解质材料。这是我们做了一系列的电化学评价，包括用高温喷枪对它进行燃烧实验。因为它是完全不可燃的。这是对不同的配比下的一个固态电解质性能的综合对比。那我们也将匹配了现有的电级材料，包括磷酸铁锂。

这个工作是我们更换了骨架以后考量不同的离子液体，这里面涵盖十几离子液体。这部分工作发表在今年的这个期刊上，大家可以详细看一下它的工作。那么它的电导率可以达到2.93×10的-3，那么这基本上可以跟我们现有的商业化液态电解质，比它要低一点，但是可以满足我们实际的变化和应用要求。

这就是匹配了不同电解质材料。现有的锂离子电池中常用都涉及到。

这个显示了我们课题组在近五年来发表有电解质方面的一些文献，大概20多篇。

最后我们希望电解质，虽然在电池体系中作为一个成分，但是作为未来从液态锂离子电池到全固态的锂离子电池，电解质会发挥非常重要的作用，我们希望开发不同类别，不同成分的电解质材料，希望未来应用到各个领域，给我们不同的领域都得到一个很好的，提供很好电池特性。在固态电解质，未来我们也希望去进一步考量电导率同时对它基理机制做进一步的分析。争取实现在高性能电池中有效应用。那么还会有希望实现它的柔性化的特点。

最后感谢我们课题组得到国家科技部，国家自然科学基金委，北京市科委，教委的支持，感谢吴锋教授的细心指导。

最后再次谢谢组委会。谢谢大家。