西安交通大学丁书江教授AEM：非对称聚合物电解质通过斥力效应调节界面空间电荷实现无枝晶锂金属电池！
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阅读： 2024/1/26 11:11:56
聚合物电解质（PE）因其良好的延展性、可加工性和轻重量，与用于锂金属电池（LMB）的刚性和脆性无机固态电解质相比被认为是有前景的。但就传统的PE而言，自由阴离子的随机传输会导致严重的浓度极化，从而产生锂枝晶，进而严重降低锂金属电池的循环稳定性。
近日，西安交通大学丁书江教授设计了一种由含硼单离子导体（LiPVAOB）修饰的非对称聚合物电解质，通过斥力效应抑制游离阴离子在锂阳极附近的不均匀聚集，将锂离子转移数提高到 0.63。研究发现，这种LiPVAOB即使在远距离也能与游离阴离子产生斥力作用，并对游离阴离子的传输产生选择性效应，从而减少游离阴离子在界面上的不均匀聚集，并抑制空间电荷引起的锂枝晶生长。因此，组装的Li||Li电池可实现5400小时以上的超长循环。Li||LiFePO4电池在4500次循环中表现出出色的循环性能，容量保持率为93%。并且，组装的高电压Li||Li1.2Ni0.2Mn0.6O2电池（充电至4.8V）表现出良好的循环稳定性，具有245mAh g?1的高比容量。总体而言，这种设计的聚合物电解质为高性能锂金属电池提供了一种很有前景的离子传输调节策略，可抑制空间电荷诱导的锂枝晶生长。
文章要点：
1. 这项工作在锂金属阳极/聚合物电解质界面层引入了单离子导体（LiPVAOB）作为屏障，不仅通过电极表面的排斥作用抑制了阴离子的不均匀聚集，还通过LiPVAOB中聚阴离子的亲锂位点诱导了锂离子的均匀沉积。
2. 这种LiPVAOB涂覆在聚合物基质的一侧，聚合物基质是通过 2,2,2-甲基丙烯酸三氟乙酯（TFMA）单体和季戊四醇四丙烯酸酯（PETEA）作为交联剂在改性电纺丝膜（LiPVAOB@ PVDF）中原位交联聚合制备的，从而得到异质结构电解质（LiPVAOB@PVDF/PE）。
3. LiPVAOB层与游离阴离子产生排斥作用，将锂离子转移数（LTN）提高到0.63，并同时贡献额外的锂离子，将这种不对称聚合物电解质的离子电导率提高到1.14×10-3 S cm-1。
4. 电化学测试显示，Li||LiFePO4（Li|LFP）电池在1 C的倍率下可循环使用1200次以上，容量保持率为93%；Li||NCM811电池可循环使用1000次以上，容量保持率令人满意。特别是，Li||Li1.2Ni0.2Mn0.6O2（LMNO）电池在充电至4.8 V时表现出良好的循环稳定性，比容量高达245 mAh cm-2。组装的高负载Li||LFP电池袋在折叠、穿刺和切割条件下均可正常工作，表明所设计的聚合物电解质具有较好的柔性和安全性。
图1 不同电解质洪锂离子和自由阴离子的传输示意图
图2 材料制备及表征
图3 对称电池性能和界面分析
图4 全电池性能
原文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202303834
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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