Adv. Energy Mater.：混合固態聚合物電解質鋰金屬電池中電極-電解質界面和電池性能的聯系

【引言】

現如今鋰離子電池已不能滿足電動車等實際應用的高容量需求，而鋰金屬電池的容量遠高于石墨電極可達3860mA h/g，因此鋰金屬電池最近在企業和學術界都受到了極大地關注。固態聚合物電解質因為其不易燃燒而且具有十分優異地鋰枝晶生長阻力而成為鋰金屬電池理想的電解質，其具有柔性、質輕、電化學性質穩定并且制備簡單等優點，比如PEO材料等已經廣泛應用于固態聚合物電解質系統中。但是，由于復雜的電池系統和聚合物材料的問題，制備高容量和長循環壽命的全固態聚合物鋰金屬電池仍是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，德雷塞爾大學Christopher Y. Li教授和華南理工大學潘其維老師（共同通訊）以“Correlating Electrode–Electrolyte Interface and Battery Performance in Hybrid Solid Polymer Electrolyte-Based Lithium Metal Batteries”為題在Advanced Energy Materials上發表文章報道了一系列用于鋰金屬電池LiFePO₄基正極剪裁設計的混合固態聚合物電解質，其鋰金屬電池在60℃和90℃同時具有優異地倍率性能和長的循環壽命。一系列混合固態聚合物電解質中可控的網絡結構提供了一個用于研究固態聚合物電解質性質和鋰金屬性能之間關系的系統模式；說明聚合物鋰金屬電池的循環壽命與固態聚合物電解質（SPE）-Li界面的離子導電性有著密切的聯系，鋰金屬電池的性能能與分子網絡結構也有這更深層次的關聯。

【圖文簡介】

圖一 交聯SPEs制備路線及四種SPEs離子導電性和模量的關系

a) 交聯SPEs制備路線；

b) 四種SPEs在90℃下，離子導電性和模量的關系。

圖二 電池負極表面SEM和電池的CV測試

a) 電池負極表面SEM圖像，內部是負極在不銹鋼墊片上的照片；

b) LiFePO₄ |POSS-4PEG2K|Li電池在90℃下的CV測試，掃速為1mV/s。

圖三 鋰金屬電池電化學性能表征

a,c,e,g) 不同鋰金屬電池電容和庫倫效率分別與循環圈數的關系；

b,d,f,h) 在90℃，C/2電流密度下，不同循環圈數時鋰金屬電池的電壓分布。

圖四 LiFePO₄ |POSS-2PEG6K|Li電池在60℃下的性能表征

a) 不同倍率下鋰金屬電池的充放電測試；

b) C/2電流密度下進行恒電流循環測試，電容和庫倫效率與與循環圈數的關系；

c) C/2電流密度下進行恒電流循環測試，不同循環圈數鋰金屬電池的電壓分布；

d) 放電電容與放電速率關系圖，O 代表本文章工作, □ 代表單粒子三嵌段共聚物， × 代表Ta摻雜Li₇La₃Zr₂O₁₂，Δ 代表65℃下測試的PEO₁₆-LiClO₄-8% ZnAl₂O₄ ，綠色菱形代表原位納米二氧化硅上的PEO₈-LiClO₄-10% 。

圖五 鋰金屬電池的EIS圖和SEM表征

a,b) 鋰金屬電池在90℃， C/2速率下循環300圈前和循環后的能奎斯特曲線；

c,d) 原始鋰金屬的SEM圖；

e,f) LiFePO₄ |POSS-4PEG2K|Li電池鋰正極在90℃， C/2速率下循環300圈后的SEM圖。

圖六 LiFePO₄ |POSS-4PEG2K|Li電池鋰正極XPS表征

a-j) LiFePO₄ |POSS-4PEG2K|Li電池鋰正極在90℃， C/2速率下循環300圈后的XPS表征，左邊是正極的表面信號，右邊是在氬離子槍在1KV電壓下濺射1min的表面信號。

圖七 鋰金屬電池性能與離子導電性的關系

a) 鋰金屬電池在90℃， C/2速率下的循環壽命和體相離子導電性和固態聚合物電解質模量系數的關系；

b) 鋰金屬電池在90℃， C/2速率下的循環壽命和Li-SPE界面離子導電性的關系。

【小結】?

該工作研究了一系列用于LiFePO₄ /Li電池的電解質，其電解質的網絡結構是POSS作為交聯劑的交聯混合固態聚合物，制備得到的鋰金屬電池在適中的溫度范圍內（60-90℃）具有優異地電容和長的循環壽命（>300圈，90℃循環300圈后C_p=136mAh/g）。本研究中鋰金屬電池的優異性能歸因于固態聚合物電解質獨特的固有性質，包括良好的機械性能和離子電導性，并且優異的電極-電解質界面能夠滿足固態聚合物電解質的化學反應。其中，Li-SPE界面的SEI具有高離子導電性，因此在負極和固態聚合物電解質之間沒有明顯的界面。

該工作第一次報道了Li-SPE界面的離子導電性與鋰金屬電池的循環壽命緊密相關，而不是固態聚合物電解質的體相離子導電性和模量系數相關。四種固態聚合物電解質系統的SEI性質和分子網絡結構相關，證實了在混合結構中調控交聯密度和篩孔尺寸的重要性。同時，該研究有望闡明設計高性能鋰金屬電池的新型固態聚合物電介質。

原文鏈接：Correlating Electrode–Electrolyte Interface and Battery Performance in Hybrid Solid Polymer Electrolyte-Based Lithium Metal Batteries.( Adv. Energy Mater. , 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701231)

本文由新能源前線Jane915126【李敬】供稿，材料牛整理編輯。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

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