AFM: 用于高電壓鋰金屬電池的PEO基聚合物電解質

微觀世界 3年前 (2020-09-07) 4278瀏覽

【引言】

在鋰金屬電池(LMB)中，用固態電解質代替液態電解液有望提高電池的安全性能和能量密度。因此，尋找適合的固態電解質是LMB邁向實際應用的關鍵。當前的固體電解質可分為無機（例如，陶瓷，玻璃）和有機（例如，聚合物）兩大類。盡管一些無機電解質具有較高的離子電導率，但是其界面阻抗大，通常伴隨著動力學方面的問題。固態聚合物電解質與無機材料相比，具有更好的界面潤濕性。此外，其制備過程簡易，原材料豐富，具有一定的成本優勢。但是，它們較差的室溫離子電導率使得其必須采用很薄電解質層(更高的電導率)或者在高于60°C的條件下運行。自1970年代以來，基于聚環氧乙烷(PEO)的固態電解質受到了廣泛的研究關注，由于其與鋰金屬負極具有較好界面兼容性，但是當使用高電壓電極時，它是不穩定的 ，例如，當使用LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC622)作為活性材料時。

【成果簡介】

近日，德國明斯特大學Johannes Kasnatscheew 和Martin Winter（共同通訊作者）通過將線性的PEO集成到機械強度更高的半互穿網絡結構中(s-IPN)。s-IPN PEO基固態電解質仍主要由PEO單元組成，可通過提高機械剛度來抑制Li枝晶的滲透，并且在高壓正極中實現了穩定的充放電循環。通過簡單地增加可塑化的Li鹽來獲得高度無定形的SPE，這總體上有利于離子導電性和均勻性。該SPE即使在60°C下儲存7天后，仍保持良好的機械穩定性和原始形狀。即使在40°C的工作溫度下， NMC622│SPE│Li電池仍具有良好的電化學性能。相關研究成果“Effective Optimization of High Voltage Solid-State Lithium Batteries by Using Poly(ethylene oxide)-Based Polymer Electrolyte with Semi-Interpenetrating Network”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一基于s-IPN PEO的SPE的合成示意圖

圖二基于s-IPN PEO的SPE在高電壓下的穩定性

（a）NMC622│SPE│Li電池在60°C下，基于線性PEO和s-IPN PEO的線性SPE（4.3–3.0 V; 30 mA g-1）的充放電曲線。

（b）基于兩種PEO的SPE電池失效示意圖。

圖三鋰鹽濃度與離子電導率的關系

（a）在40°C和60°C下，基于s-IPN PEO的SPE的離子電導率與Li鹽濃度（EO：Li比）的關系。

（b）s-IPN PEO 基SPE的DSC曲線。

圖四SPE的AFM圖像

（a）AFM表明，基于s-IPN PEO的SPE的高度偏差僅為15 nm，表面較為平滑。

（b）基于線性PEO的SPE相比，基于s-IPN PEO的SPE的相位信號偏差較小。

圖五線性PEO和s-IPN PEO基SPE在60°C下的穩定性測試

（a）存放7天后，兩個SPE在紐扣電池中的光學照片。

（b）壓縮測試獲得的兩種SPE的力學性能數據。

圖六兩種SPE的過充實驗。

圖七基于s-IPN PEO的SPE在不同分子量的成網劑下NMC622│SPE│Li電池的循環性能

圖八NMC622│SPE│Li在40°C下的循環性能

 

【小結】

當使用高電壓電極時，常規線性PEO的SPE在LMB中會不穩定，這是由鋰枝晶造成的短路引起的。 將PEO集成到s-IPN中可避免此問題，并在NMC622│SPE│Li電池中實現穩定的充放電循環。基于s-IPN PEO的SPE膜即使在60°C下存儲7天后仍保持原始狀態，并且具有出色的機械性能。 此外，未觀察到SPE對負極穩定性的負面影響，其顯示出相對于Li高達4.6 V的高穩定性。優化的SPE即使在40°C的溫度下， NMC622│SPE│Li電池具有高放電容量和穩定的循環性能。最后，該研究表面基于PEO的SPE的高壓LMB的失效與直覺相反，電化學影響較少，其失效主要由鋰金屬枝晶的滲透引起的。從這方面去考量，對于SPE設計，不應該忽略其機械性能，還應該關注其均質性能。

文獻鏈接：“Effective Optimization of High Voltage Solid-State Lithium Batteries by Using Poly(ethylene oxide)-Based Polymer Electrolyte with Semi-Interpenetrating Network”(DOI: 10.1002/adfm.202006289)

本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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