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北化于樂教授團隊 AFM：具有高鋰離子遷移數的多尺度結構凝膠聚合物電解質用于長壽命鋰金屬電池

2022-11-02 來源：高分子科技

使用固態聚合物電解質取代液態電解液（LE）用于鋰金屬電池是抑制鋰枝晶生長、提高安全性能的重要因素。然而在固態聚合物電解質中離子電導率差和界面電阻顯著增加的問題阻礙了其實際應用的發展。因此提升聚合物電解質的鋰離子遷移能力，提高界面穩定性是聚合物電解質發展的重要挑戰之一。

圖1. SZ-GPE結構以及SZ-GPE和LE在鋰金屬負極上的鋰沉積示意圖。

近期，北京化工大學化學工程學院于樂教授團隊以具有高空隙率和安全性的微納米結構的聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）為聚合物基質，以SiO₂納米顆粒和ZSM-5為無機填料，制備了一種新型凝膠聚合物電解質（SZ-GPE），以加快鋰離子傳輸和抑制鋰枝晶生長（圖1）。納米SiO₂的Lewis酸性位點可以吸附PF₆^-，促進LiPF₆的解離。ZSM-5的亞納米孔道的限域效應有效提高了鋰離子遷移數。SZ-GPE間協同效應能有效抑制電解質的分解，在鋰金屬負極上形成穩定的界面。得益于多尺度結構設計，SZ-GPE作為鋰金屬電池電解質，有效提升了鋰離子遷移能力（圖2）并體現出優異的循環性能（圖3）。這種多尺度設計還為高性能鋰金屬電池電解質提供了一種有效的策略。該工作以“Multiscale Structural Gel Polymer Electrolytes with Fast Li⁺Transport for Long-Life Li Metal Batteries”為題發表在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adfm.202209837）。文章第一作者是北京化工大學碩士生楊海霞。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖2. (a) SiO₂存在條件下LiPF₆解離分子動力學模擬, (b) LiPF₆解離分子動力學模擬, (c) LE, (d) GPE和(e) SZ-GPE的遷移數測試, (f) NMR測試, (g)電導率測試, (h) EIS 阻抗測試。

圖3. (a) Li||NCM811全電池的循環性能, (b) LE和(c) SZ-GPE組裝的Li||NCM811全電池在1 C下不同循環圈數的充放電曲線, (d) Li||LiFePO₄全電池的循環性能。

該工作是團隊近期關于聚合物電解質相關研究的最新進展之一。固態聚合物電解質具有較低的離子電導率和低的鋰離子遷移數使得其離子傳輸動力學十分有限，導致鋰枝晶生長和較差的倍率性能。同時，固態聚合物電解質與電極之間的接觸性較差，導致高的界面阻抗，影響鋰離子的傳輸。在過去的兩年中，團隊制備了基于三鋰鹽系統（LiPF₆-LiTFSI-LiFSI）的聚1,3-二氧戊環基固態聚合物電解質用于鋰金屬電池中以實現快速充電放電和穩定循環（Chem. Commun., 2022, 58, 10973）。團隊總結了功能化聚合物在電解質改性和鋰負極界面設計中的應用，并從界面化學以及鋰離子傳遞和遷移機制的角度對功能化聚合物的應用進行了探討（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 13388）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202209837

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（責任編輯：xu）

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