北大深研院潘鋒Adv. Mater.：基于MOF材料具有納米潤濕界面的高能量密度鋰電池固態電解質

【引言】

固態電解質可以克服傳統液體電解質存在的易泄露、易燃等問題，此外，還能夠抑制鋰枝晶的生長，使基于金屬鋰負極的高能量密度電池成為可能，因而成為目前國內外的研究熱點。目前，由于固體電解質和電極材料之間的不良物理接觸而造成的界面電阻大是阻礙固態鋰電池實際應用的最主要問題。開發一種在電解質體相和電解質/電極界面均具有優良離子傳導性能的固體電解質對于實現固態鋰電池的廣泛應用至關重要。

【成果簡介】

近日，北京大學深圳研究院潘鋒教授課題組開發了一種新型類固體電解質，該電解質以MOF材料為骨架，含有鋰鹽的離子液體作為鋰離子導體寄宿于MOF骨架中，相關成果以“A Metal-Organic-Framework-Based Electrolyte with Nanowetted Interfaces for High-Energy-Density Solid-State Lithium Battery”發表于Adv. Mater上。該新型類固體電解質（Li-IL@MOF）具有高的室溫電導率（3.0×10^-4 S cm^-1），鋰離子遷移數可達0.36，與鋰金屬和LiFePO₄（LFP）正極材料均具有良好的相容性。采用此電解質組裝的Li∣LiFePO₄電池正極活性物質的負載量可達25 mg cm^-2，電池具有良好的循環性能，可在-20到150℃溫度范圍內運行良好。采用此新型電解質的電池具有如此優異性能，這是因為：1）電解質內部MOF納米晶緊密堆疊，因此寄宿于不同MOF納米晶中的離子液體可直接相連，因而電解質具有較高的電導率；2）MOF表面附近未被束縛的離子液體具有優異的界面潤濕能力，使得固態電解質和正極材料之間具有良好界面接觸，這降低了界面電阻；3）MOF材料特殊的孔道結構可以限制大尺寸的離子液體陽離子[EMIM]⁺和陰離子[TFSI]^-的移動，而不影響小尺寸的鋰離子的移動，因而具有較高的鋰離子遷移數。

【圖文導讀】

圖1 采用Li-IL@MOF電解質的固態電池結構及納米潤濕界面機理示意圖

圖2 Li-IL@MOF類固體電解質的電化學性質

a.添加不同量Li-IL的Li-IL@MOF類固體電解質電導率隨溫度的變化

b.Li-IL@MOF(1.5ml:1.2g)類固體電解質在-20到100℃溫度范圍內的EIS圖譜，插圖為高頻區域的放大圖

c.對b)所得電導率的Arrhenius擬合

d.室溫下Li∣Li-IL@MOF∣SS非對稱電池前三個循環的CV（-0.5-3V）和LSV（3-7V）圖（掃描速度為0.2 mV s^-1）

圖3 Li∣Li-IL@MOF∣Li對稱電池測試結果

a.在0.05和0.2 mA cm^-2電流密度下，Li∣Li-IL@MOF∣Li對稱電池的電壓隨時間的變化曲線

b.Li沉積/溶出循環前后Li∣Li-IL@MOF∣Li對稱電池的EIS圖譜

c.Li沉積/溶出循環后界面結構變化示意圖

圖4 正極和電解質的形貌和組成表征

a.d. 正極層和電解質層的光學照片

b.正極與電解質雙層結構的SEM圖

c.e. f. 正極與電解質雙層結構的EDS面分布圖

圖5 Li∣Li-IL@MOF∣LFB固態電池的循環性能和庫倫效率

a.室溫下0.1C倍率下Li∣Li-IL@MOF∣LFB固態電池的循環性能和庫倫效率

b.Li∣Li-IL@MOF∣LFB固態電池在不同溫度下的循環性能

【小結】

該研究將添加了鋰鹽的離子液體裝填于MOF骨架中，在電極/電解質界面處，MOF材料的三維開放結構使得受限于MOF骨架中的Li-IL可與電極活性物質直接接觸，形成豐富的納米潤濕界面，這有效降低了界面電阻，促進了鋰離子的傳輸。該電解質構筑方法是一種通用的方法，通過改變離子液體中金屬離子的種類，此方法可擴展用于其他如K、Na、Mg、Al等電池中。

文獻鏈接：A Metal-Organic-Framework-Based Electrolyte with Nanowetted Interfaces for High-Energy-Density Solid-State Lithium Battery（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704436）

本文由材料人編輯部張親親編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部

材料測試，數據分析，上測試谷！