蘇州納米所輕量化實(shí)驗(yàn)室劉美男等AFM:調(diào)控分子間作用力修飾溶劑化結(jié)構(gòu)助力鋰離子在Janus電解質(zhì)中的快速輸運(yùn)
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展以及廣泛使用(如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等),二次電池的高存儲能力、安全可靠性至關(guān)重要。金屬鋰電池由于其較高的比能量被認(rèn)為是下一代最有潛力的高比能電池體系;然而高活潑的金屬鋰負(fù)極與液態(tài)電解液間的副反應(yīng)所帶來的安全隱患,使得金屬鋰電池的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)展緩慢。相比于易燃的液態(tài)電解液,固態(tài)電解質(zhì)安全性更高;但其離子電導(dǎo)率較差,一般都需在高溫下運(yùn)行(60-80°C),電池很難在室溫下正常工作。如何提升該類電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率,成為研究人員亟需解決的科學(xué)問題。
近日,中科院蘇州納米所劉美男等報道了一種基于Janus結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)(JSE),利用JSE組分中的分子間作用力來調(diào)控鋰離子的溶劑化結(jié)構(gòu),構(gòu)筑出一維(1D)離子快速傳輸通道,進(jìn)而提升鋰離子輸運(yùn)速率,實(shí)現(xiàn)了固態(tài)金屬鋰電池的室溫運(yùn)行。
如圖1所示,JSE中Janus基底由兩種結(jié)構(gòu)復(fù)合而成,分別為用于保護(hù)鋰負(fù)極的PVDF-HFP/PEO致密層,和用于提高電解質(zhì)離子電導(dǎo)率的PVDF-HFP/ LATP通道結(jié)構(gòu)層。將Janus基底與丁二腈(SN)基固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合,即可獲得JSE。理論計(jì)算結(jié)果表明這些嵌入1D通道的LATP顆粒與SN間具有很強(qiáng)的分子間作用力,基于此可調(diào)控SN電解質(zhì)中的鋰離子溶劑化環(huán)境,形成聚集離子對(AGG)結(jié)構(gòu)的離子輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。通過1D通道上的LATP對SN的吸附,進(jìn)而構(gòu)筑1D鋰離子輸運(yùn)通道。
圖1 JSE電解質(zhì)的設(shè)計(jì)示意圖
圖2a-b的拉曼光譜測試結(jié)果證明電解質(zhì)中的確存在SN吸附層,并且鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)被改變。固體核磁鋰譜(6Li MAS NMR)也進(jìn)一步揭示了吸附層出Li化學(xué)環(huán)境的改變。基于該結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)在室溫條件下展示出優(yōu)異性能(圖2c-f):如較高的離子電導(dǎo)率(0.73 mS cm-1)、較高的鋰離子遷移數(shù)(0.72)、較寬的電化學(xué)窗口(5V)。以JSE組裝的鋰對稱電池可在600小時內(nèi)提供出色的循環(huán)穩(wěn)定性(圖2g)。
圖2 JSE的拉曼光譜與電化學(xué)性能表征
基于該JSE電解質(zhì)的固態(tài)金屬鋰電池在常溫下也表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。如圖3所示,JSE固態(tài)電池在2C的高倍率下具有高達(dá)136 mAh g-1的放電比容量;在0.5C的循環(huán)穩(wěn)定性測試中可實(shí)現(xiàn)160 mAh g-1的放電比容量,且庫倫效率可達(dá)99.9%,100圈循環(huán)后容量保持率可達(dá)96.8%。此外,JSE在軟包電池中也同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的性能(0.5C下比容量約140 mAh g-1),并能經(jīng)受彎曲和切割等破壞性測試,表明其在未來使用中具有優(yōu)越的安全性。
圖3 LFP|JSE|Li電池的性能表征
這項(xiàng)工作提出了一種利用分子間作用力改變電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)以提高固態(tài)電解質(zhì)性能的新思路。另外,Janus結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有效抑制了金屬鋰枝晶的問題,該策略也可拓展到其他金屬電池體系。相關(guān)工作以Janus electrolyte with modified Li+ solvation for high-performance solid-state lithium batteries為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。中科院蘇州納米所碩士研究生胡雨楨為本文第一作者,通訊作者為徐州工程學(xué)院鞏文斌副教授、蘇州納米所許晶晶項(xiàng)目研究員以及劉美男項(xiàng)目研究員。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金以及江西省自然科學(xué)基金等資助。
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