纳米纤维基复合固体电解质在固态电池中的应用：从基础到应用

2025-03-09 Sun
学术背景随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，高性能储能技术的需求日益增长。锂离子电池（LIBs）作为当前主流的储能技术，其能量密度和安全性仍面临挑战。特别是在使用液态有机电解质时，锂枝晶的生长和电解质的易燃性带来了严重的安全隐患。为了解决这些问题，固态电池（SSBs）应运而生。固态电池使用固态电解质（SSEs）替代液态电解质，具有更高的安全性和潜在的能量密度提升。然而，传统的固态电解质在离子导电性和机械性能方面存在不足，限制了其实际应用。
复合固态电解质（CSEs）通过将填料和盐分散在聚合物基体中，结合了聚合物和无机电解质的优点，成为固态电池领域的研究热点。然而，传统的CSEs仍然面临填料分布不均匀和团聚现象的问题，这可能会阻碍离子传输。纳米纤维（nanofibers, NFs）因其长程结构、高比表面积和高长径比，被认为可以显著提升CSEs的性能。本文综述了基于纳米纤维的复合固态电解质的最新研究进展，探讨了其在固态电池中的应用潜力。
论文来源本文由An-Giang Nguyen、Trang Thi Vu、Hang T. T. Le、Rakesh Verma、Phi Long Nguyen、Viet Bac T. Phung和Chan-Jin Park共同撰写。作者来自多个研究机构，包括Chonnam National University（韩国）、VinUniversity（越南）、Hanoi University of Science and Technology（越南）和University of Allahabad（印度）。本文于2024年12月22日接受，并发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上，DOI为10.1007/s42765-024-00508-3。
论文主要内容1. 复合固态电解质的基础复合固态电解质（CSEs）由聚合物基体、填料和锂盐组成。填料可以是无机材料（如氧化物、硫化物）或聚合物（如聚乙烯氧化物，PEO）。CSEs的设计旨在结合聚合物电解质的柔性和无机电解质的高离子导电性。然而，传统CSEs中的填料分布不均匀和团聚现象限制了其性能。纳米纤维作为一种新型填料，因其高比表面积和长径比，能够提供连续的离子传输路径，从而显著提升CSEs的性能。
2. 纳米纤维的设计与合成纳米纤维的合成方法包括电纺丝、模板法、沉积法、离心纺丝和溶液吹纺等。电纺丝是最常用的纳米纤维制备技术，通过高压电场将聚合物溶液拉伸成纤维。模板法则是利用牺牲模板制备无机纤维，适用于大规模生产。沉积法（如化学气相沉积，CVD）则可以精确控制纤维的尺寸和形貌。离心纺丝和溶液吹纺则提供了更高的生产效率和灵活性。
3. 纳米纤维复合固态电解质的制备纳米纤维复合固态电解质的制备方法主要包括渗透法和原位聚合法。渗透法是将聚合物或无机电解质溶液渗透到纳米纤维网络中，形成致密的电解质膜。原位聚合法则是将单体渗透到纳米纤维中，通过热或光引发聚合反应，形成固态电解质。这些方法能够保留纳米纤维的独特结构，同时提升电解质的离子导电性和机械性能。
4. 纳米纤维复合固态电解质的应用纳米纤维复合固态电解质在固态电池中的应用主要体现在以下几个方面：
- 聚合物纳米纤维基CSEs：聚合物纳米纤维（如聚丙烯腈，PAN）作为增强材料，能够提升电解质的机械强度和离子导电性。例如，PAN-PEO/LiTFSI电解质在60°C下表现出良好的循环性能。
- 无机纳米纤维基CSEs：无机纳米纤维（如LLTO、LLZO）作为活性填料，能够提供额外的离子传输路径。例如，LLTO-PEO电解质在室温下表现出高离子导电性和良好的电化学稳定性。
- 复合纳米纤维基CSEs：复合纳米纤维结合了聚合物和无机材料的优点，能够进一步提升电解质的综合性能。例如，PAN/LLZTO-PEO电解质在60°C下表现出优异的循环稳定性和高放电容量。
5. 纳米纤维复合固态电解质与电极的界面固态电池中电解质与电极之间的界面接触是影响电池性能的关键因素。纳米纤维复合固态电解质通过其独特的网络结构，能够改善电解质与电极的接触，减少界面电阻。例如，通过热压或原位聚合方法，能够实现电解质与电极的紧密接触，提升电池的循环性能和稳定性。
论文的意义与价值本文系统综述了基于纳米纤维的复合固态电解质的研究进展，详细探讨了其设计、合成、制备和应用。纳米纤维作为一种新型填料，能够显著提升复合固态电解质的离子导电性和机械性能，为解决固态电池中的关键问题提供了新的思路。本文的研究为高性能固态电池的开发提供了理论指导和技术支持，具有重要的科学意义和应用价值。
研究亮点纳米纤维的应用：纳米纤维因其高比表面积和长径比，能够提供连续的离子传输路径，显著提升复合固态电解质的性能。
多种制备方法：电纺丝、模板法、沉积法等多种纳米纤维制备方法为复合固态电解质的开发提供了灵活的选择。
界面优化：通过渗透法和原位聚合法，能够实现电解质与电极的紧密接触，减少界面电阻，提升电池性能。
结语本文通过对基于纳米纤维的复合固态电解质的全面综述，展示了其在固态电池中的巨大应用潜力。未来的研究可以进一步探索纳米纤维的结构设计和界面优化，以实现更高性能的固态电池。