天津大學封偉團隊：高離子電導率的鋰單離子固態聚合物電解質

Alisa 5年前 (2019-03-18) 5596瀏覽

【前言】

鋰離子電池（LIBs）由于相對較高的比能量和能量密度被認為是混合/電動汽車和便攜式電子產品中最有潛力的儲能和轉換技術。然而，在使用鋰金屬為負極的LIBs，即鋰金屬電池（LMBs）過程中，由于在充電過程中不規則的金屬鋰電沉積容易形成鋰枝晶，因此液體電解質的爆炸等安全問題受到了人們的關注。

固體聚合物電解質（SPEs）具備堅固性、寬的電化學窗口、循環過程中熱穩定性好等特點。它們因為不揮發性、低可燃性和高安全性而備受人們的關注。然而，典型的SPE是雙離子導體，即鋰離子和陰離子在LIBs充放電過程在正極和負極之間遷移。而這個現象會導致鋰離子濃度梯度和電池極化，從而導致鋰枝晶的形成和電池過早失效。以高鋰離子遷移數（接近1）為特征的鋰單離子導體通過共價鍵將陰離子固定在聚合物骨架上，從而使陰離子的運動受限或完全不動。因此，在單離子導體中，只有鋰離子能夠在LIBs中進行長距離的遷移。因此，鋰單離子聚合物固態電解質（SSPEs）能夠緩解電極附近濃度梯度，弱化形成枝晶的驅動力，從而有效地抑制枝晶形成。

【成果簡介】

近日，天津大學材料科學與工程學院封偉教授課題組制備了一種高離子電導率的鋰單離子固態聚合物電解質。在前期工作（J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 22519）中，該團隊設計和合成了新型的交替結構的單離子聚合物鋰鹽：聚（乙烯基雙苯磺酰亞胺鋰-alt-馬來酸酐）（P[SSPSILi-alt-MA]）。其中，雙苯磺酰亞胺鋰結構中的O=S=O基團與苯環的協同作用使得N原子上的電子離域程度更高。馬來酸酐基團由于高介電常數可以進一步促進其上鋰離子的解離，增加“自由鋰離子”的濃度。P[SSPSILi-alt-MA]的交替結構有利于“自由鋰離子”在分子尺度上分布均勻。在此次工作中該團隊將P[SSPSILi-alt-MA]和PEO復合制備了鋰單離子固態聚合物電解質，鋰離子解離程度的增加以及分子尺度上的均勻分布使該鋰單離子聚合物固態電解質擁有高的離子電導率（3.08×10^-4?S cm^-1）。研究表明，該聚合物固態電解質對鋰枝晶形成和生長有著很好的抑制作用。隨后將P[SSPSILi-alt-MA]聚合物固態電解質組裝成磷酸鐵鋰電池，該純固態電池表現出了優異的循環穩定性。

相關研究成果近期已在線發表在Energy Storage Materials雜志上（DOI：10.1016/j.ensm.2019.03.004），第一作者為博士研究生曹晨，共同通訊作者為李瑀。

【圖文導讀】

圖1. 通過溶液澆鑄法制備P[SSPSILi-alt-MA]/PEO?SSPE薄膜的過程示意圖