【科學(xué)網(wǎng)】高電壓固態(tài)鋰電池新發(fā)現(xiàn)！聚合物電解質(zhì)設(shè)計有了新方法
近日，中國科學(xué)院蘇州納米所研究員沈炎賓團(tuán)隊提出一種陰離子調(diào)制聚合物電解質(zhì)（以下簡稱AMPE）設(shè)計概念，研制了兼顧高電壓正極和鋰負(fù)極界面穩(wěn)定性、且室溫電導(dǎo)率高的聚合物電解質(zhì)，在高電壓固態(tài)鋰金屬電池中獲得了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)成果發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition。
聚合物電解質(zhì)具有良好的柔性，可與電極材料形成低阻抗界面，在固態(tài)電池中具有良好的應(yīng)用前景。然而，聚合物電解質(zhì)通常室溫電導(dǎo)率較低，且電化學(xué)窗口較窄，不適用于高比能固態(tài)鋰金屬電池。因此，開發(fā)具有高離子電導(dǎo)率和良好界面相容性的聚合物電解質(zhì)是固態(tài)電池領(lǐng)域的重要研究方向之一。團(tuán)隊基于單離子聚合物電解質(zhì)的開發(fā)、界面?zhèn)鬏敊C(jī)制的研究、固態(tài)電極傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建等前期研究，提出用以匹配高電壓固態(tài)鋰電池的聚合物電解質(zhì)的設(shè)計方法。
具體來講，該工作采用耐高電壓且具有高電荷密度的離子液體單體為聚合物骨架，以確保聚合物鏈在正極側(cè)的高電壓耐受性和足夠的載流子。為了解決聚離子液體電解質(zhì)電荷密度集中且鋰鹽解離能力弱的問題，團(tuán)隊引入陰離子受體，利用其缺電子基團(tuán)與離子液體單體上的陰離子相互作用，促進(jìn)電解質(zhì)中陰離子的均勻化分布，并提高電解質(zhì)的鋰離子遷移數(shù)，同時幫助解離鋰鹽陰陽離子對，促進(jìn)自由鋰離子的生成。
值得一提的是，理論計算和實驗研究發(fā)現(xiàn)，陰離子受體中缺電子基團(tuán)與鋰鹽陰離子TFSI-之間的相互作用降低了鋰鹽陰離子的LUMO（最低未占有分子軌道），使其更容易在鋰金屬負(fù)極上被還原，從而分解形成穩(wěn)定的電解質(zhì)界面層，提高鋰金屬負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。通過以上設(shè)計，獲得的AMPE具有較高的離子電導(dǎo)率，較高的鋰離子遷移數(shù)以及較寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，還能夠有效抑制鋰枝晶的生長。
本研究利用陰離子受體調(diào)制耐高電壓聚離子液體的電荷密度，設(shè)計出了一種高性能聚合物電解質(zhì)。陰離子受體助力解離陰陽離子對促進(jìn)游離鋰離子的生成，且陰離子錨定效應(yīng)將鋰離子遷移數(shù)從0.13提高到0.41。同時缺電子基團(tuán)與TFSI-之間的強相互作用促進(jìn)了TFSI-的還原分解，在鋰負(fù)極表面形成電化學(xué)穩(wěn)定的SEI（固體電解質(zhì)界面），提高了高電壓鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性，該設(shè)計方法為研發(fā)用于高比能固態(tài)鋰電池的聚合物電解質(zhì)提供了新的思路。
相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202412280
陰離子調(diào)制聚合物電解質(zhì)的設(shè)計（課題組供圖）
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