中科院&河北師范大學Angew：穩定、柔性的鋰金屬電池用快速自修復固態聚合物電解質

【引言】

鋰金屬電池被認為是最具吸引力的下一代高能量密度儲能體系之一。然而，液態電解質體系的不可控的鋰枝晶會刺破隔膜，誘導電池內部短路，引發電池起火甚至爆炸。利用固態聚合物電解質構筑固態電池是提高高能量密度金屬鋰電池安全性的有效途徑之一。尤其當固態電解質具有快速自修復的性能時，鋰金屬電池的安全問題將會得到大大提高。然而在實用化進程中，制備出高離子電導率與穩定性兼顧的固態聚合物電解質仍然是很具有挑戰的一件事。

【成果簡介】

近日，中國科學院化學研究所郭玉國課題組與河北師范大學吳娜、周金明，通過對分子結構進行設計及調控，并采用溫和的縮聚反應制備出固態金屬鋰電池用可快速自修復的固態聚合物電解質材料。這種電解質不僅能在一分鐘內實現快速自我愈合，還同時具有剛柔并濟骨架結構及高的離子導電率。在基于該自修復聚合物電解質的全固態金屬鋰電池中，金屬鋰的電化學沉積/溶解行為更加規整。由該自修復聚合物電解質構筑出的固態金屬鋰電池，表現出可自由彎折的柔韌性及穩定的循環性能，在長壽命的可穿戴電子器件領域有巨大的應用潛力。上述成果以題為“Self-Healable Solid Polymeric Electrolytes for Stable and Flexible Lithium Metal Batteries”發表于國際著名期刊Angew.Chem.Int.Ed.上。

【圖文導讀】

圖1. 自修復固態聚合物電解質(SHSPE)分子設計及修復性能研究

(a)自修復固態聚合物電解質(SHSPE) 的超分子結構和動態氫鍵

(b)SHSPE可在 60s內完成自修復過程

圖2. SHSPE 的形貌及基本性能（結晶性、電導性等）展示

(a,b)不同尺寸的SHSPE數碼照片

(c,d)SHSPE表面(c)和截面(d)的SEM圖

(e) NH₂-PEG-NH₂、無鋰鹽的超分子聚合物和SHSPE的XRD圖

(f) SHSPE的離子導電率隨溫度變化的線性擬合圖

圖3. 基于SHSPE的鋰/鋰對稱電池性能研究

(a)分別基于液態電解質和SHSPE的鋰對稱電池的循環穩定性的對比

(b)分別基于液態電解質 (I-III) 和SHSPE(IV- VI)的鋰對稱電池第1 (I, IV)、40(II, V) 和80(III, VI)循環后的鋰金屬負極表面的SEM圖

圖4. LiFePO₄/Li 全電池電化學性能及柔韌的全固態電池性能展示

(a) Li|SHSPE|LiFePO₄鋰金屬電池第1和第20圈充放電曲線過電位變化比較

(b) Li|SHSPE|LiFePO₄固態電池的循環性能

(c) Li|SHSPE|LiFePO₄固態電池被切割前后(I-III)電壓變化的數碼照片。Li|SHSPE|LiFePO₄固態電池點亮的 LED彎曲試驗(IV-VI)的數碼照片

文獻鏈接：Self-Healable Solid Polymeric Electrolytes for Stable and Flexible Lithium Metal Batteries. （Angew. Chem. Int. Ed.，2019， doi:10.1002/anie.201910478?）

本文由kv1004供稿。