北京工業大學Nano Energy：無定形硅烷封端聚醚3D結構聚合物電解質打造高性能鋰金屬電池

u2175908346 6年前 (2017-10-20) 3058瀏覽

【引言】

因為金屬鋰的高理論比容量，可充電的Li金屬電池（LMBs）為高能量密度、長壽命電子器件的能量需求提供了可能。然而，使用液體電解液，有許多弊端阻礙了LMBs的進一步發展，尤其是Li枝晶生長引起的安全問題。為了提高LMBs的安全性和循環穩定性，采用聚合物電解質（PE）和無機固體電解質（ISE）可以有效避免液體電解質的泄露和燃燒等問題。相比于ISE對水和氧高敏感性以及與電極的剛性界面接觸，PE的不同之處在于有良好的柔性以及對電極有較強的粘附性，因此它被視為實現高性能LMBs的理想選擇。

聚氧化乙烯（PEO）是研究較早且廣泛的聚合物電解質，具有諸多優點。但是，PEO-PE的鋰離子電導率低和電化學穩定窗口窄等問題大大限制了其應用前景。最近報道的聚硅氧烷（PSI）-PE具有高離子電導率，低玻璃化轉變溫度以及-Si-O-引起的非晶結構，為Li+提供了充足的擴散通道。然而多數PSI-PE在室溫下是液態/凝膠狀，這不利于固態電池器件的組裝。受PEO-PE 和PSI-PE的啟發，研究人員通過硅烷封端聚醚（MSTP）單體聚合，引入四乙二醇二甲醚（TEGDME），制備了一種具有交聯網狀結構的無定形硅烷封端聚醚聚合物電解質（MSTP-PE），提高了離子電導率并改善了電極的界面兼容性。

【成果簡介】

近日，北京工業大學材料科學與工程學院尉海軍教授（通訊作者）研究小組通過一種交聯的方法制備出改性的硅烷封端聚醚基聚合物電解質。因其具有3D網絡結構，在室溫下該無定形聚合物電解質有高離子電導率（0.36mS/cm）、高熱穩定性（Tm=379℃）、高離子轉移數（0.65）、達5V的電化學窗口以及和電極良好的兼容性。該研究成果以“Amorphous modified silyl-terminated 3D polymer electrolyte for high-performance lithium metal battery”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. MSTP-PE的合成

（a）MSTP-PE聚合前后的照片，示意圖是MSTP-PE的交聯網絡結構；

（b）MSTP單體的分子結構和MSTP-PE的聚合過程。

圖2. MSTP-PE的表征

（a）? MSTP-PE表面和截面的掃描電鏡圖；

（b）? 柔性MSTP-PE的照片；

（c）? PEO-PE和 MSTP-PE的XRD比較；

（d）? MSTP-PE的TG和DSC曲線。

圖3. MSTP-PE的電化學分析

（a）? PEO-PE和MSTP-PE的離子電導率隨溫度變化的關系；

（b）? 在10mV極化電位下，Li/MSTP-PE/Li對稱電池的計時電流圖，插圖是極化前后的EIS圖；

（c）? 在室溫下經不同老化時間后Li/MSTP-PE/Li對稱電池的EIS圖；

（d）不銹鋼作為對電極，在1mV/s的掃描速度下MSTP-PE的線性掃描伏安曲線，插圖是在穩定的電化學窗口下，電流密度放大部分；

（e）? 在25℃，分別在0.05 mA /cm2 和0.1 mA/cm2的電流密度下，使用MSTP-PE進行超過800h 的Li沉積/溶解時的電勢圖，插圖是在不同電流密度下，不同時間段的電勢圖。

圖4. LiFePO4/MSTP-PE/Li 電池的電化學性能測量

（a）? 在室溫下，采用液體電解質和MSTP-PE時LiFePO4陰極在0.1C的電流密度下初始充放電曲線對比，插圖是兩電池相應的CV曲線；

（b）? LiFePO4/MSTP-PE/Li電池經過30個循環周期的CV曲線保持穩定；

（c）? LiFePO4/MSTP-PE/Li電池在室溫下的倍率性能；

（d）? LiFePO4/MSTP-PE/Li電池在1C時的循環性能，插圖是電池經過不同循環次數的充放電曲線；

（e）? LiFePO4/MSTP-PE/Li電池在3C時的循環性能，插圖是電池經過不同循環次數的充放電曲線。

圖5. 軟包裝電池的應用

（a）? 軟包裝電池的電壓測試；

（b）? 軟包裝電池經過多次裁剪后仍能夠使LED燈發光；

（c）? 軟包裝電池對折后使LED燈發光；

（d） 軟包裝電池經過嚴重卷曲后使LED燈發光。

【小結】

研究人員用硅烷封端的聚醚單體,通過交聯反應制備了MSTP-PE，然后構建LMBs。由于骨架中具備快速的Li+遷移通道和硅烷基聚合形成的交聯網絡結構，這種非晶和均勻的MSTP-PE有高的Li 離子電導率，優良的柔性、高的熱穩定性以及寬的電化學窗口。這使LiFePO4/MSTP-PE/Li電池在不同溫度下具有高可逆比容量和優秀的循環穩定性。這為發展高性能金屬電池用的穩定PE提供了新的途徑。

文獻鏈接：Amorphous modified silyl-terminated 3D polymer electrolyte for high-performance lithium metal battery （Nano Energy,2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.021）

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