EES：原位聚合1,3-二氧六環作為高相容聚合物電解質實現4.5V鋰金屬電池

一、【導讀】

鋰離子電池作為一種高性能電池，已經成為了電動汽車、智能手機、筆記本電腦等電子產品的主要電源。然而，傳統的液態電解質在高電壓下容易發生氧化分解，導致電池性能下降，同時還存在著燃燒、揮發等安全問題。因此，開發具有更好氧化穩定性和安全性的新型電解質材料成為了當前研究的熱點之一。聚合物電解質（PEs）作為一種新型電解質材料，具有高離子導電性、低熔點、低揮發性、可塑性等優點，被廣泛應用于鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等各種電池系統中。其中，原位聚醚基PEs由于其理想的界面接觸性和與鋰金屬的良好相容性，引起了廣泛的研究關注。1,3-二氧戊環（DOL）原位聚合作為鋰金屬電池的PEs近年來展現出巨大的潛力，但其氧化穩定性較差，因此不能匹配高壓正極，限制了電池能量密度的提升，因此需要開發具有更好氧化穩定性的新型PEs材料。

二、【成果掠影】

近日，華南師范大學鄭奇峰教授團隊原位聚合制備的聚（1，3-二氧六環）（P-DOX）電解質展示出優異的氧化穩定性和與鋰金屬的良好兼容性，為開發優異的PE材料提供了新思路。相關的研究成果以“In-situ polymerization of 1,3-dioxane as highly compatible polymer electrolytes to enable 4.5 V Li-metal batteries”為題發表在Energy & Environmental Science上。

三、【核心創新點】

使用1,3-二氧六環單體進行原位聚合制備P-DOX聚合物電解質，通過增加DOX分子的烷基鏈長度，可以降低其最高占據分子軌道（HOMO），從而提高其氧化穩定性，并且可以形成富含無機物的固體電解質界面（SEI），從而大大提高鋰金屬和P-DOX PE之間的界面兼容性。

四、【數據概覽】

圖1 ?高壓PEs原位制造的設計原理。 ??2023 Royal Society of Chemistry

圖2? 原位制備的P-DOX PE的理化性質。 ??2023 Royal Society of Chemistry

圖3? 原位制備的P-DOX PE的高壓穩定性。 ??2023 Royal Society of Chemistry

圖4 Li金屬在原位制造PE中的兼容性。 ??2023 Royal Society of Chemistry

圖5 鋰電極上SEI的表征。 ??2023 Royal Society of Chemistry

圖6 鋰金屬全電池在4.3 V下的電化學性能。 ??2023 Royal Society of Chemistry

圖7 鋰金屬全電池在4.5 V下的電化學性能。? ?2023 Royal Society of Chemistry

五、【成果啟示】

本文中，作者開發了一種具有優異氧化穩定性和與鋰金屬良好兼容性的新型PE材料。通過將溶劑單體的分子結構從五元環狀DOL調節至六元環狀DOX，并原位聚合制備了P-DOX電解質。相比于傳統的五元環DOL單體，DOX單體具有六元環結構和更長的烷基鏈，可以降低其HOMO，從而提高其氧化穩定性。此外，DOX單體的長烷基鏈還可以降低其溶劑化能力，從而提高鋰離子的傳輸數，同時形成富含無機物的SEI，從而大大提高鋰金屬和P-DOX PE之間的界面兼容性。P-DOX表現出了優異的氧化穩定性（＞4.7 V），高鋰離子遷移數（0.75），而且獲得了超過1300小時的優異鋰沉積/剝離穩定性。此外，作者還通過理論計算和實驗驗證，深入探究了DOX單體的分子結構對P-DOX PE性能的影響機制。該研究為高能量密度固態電池PE的設計提供了新的思路。

文獻鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d3ee02797j

本文由WYH供稿