蘇州納米所陳琪等在Nat. Commun.報道長循環(huán)高電壓聚合物基固態(tài)鋰金屬電池
鋰金屬由于具有高理論容量(~3860 mAh g-1)和低氧化還原電位(相對于標準氫電極為-3.04 V),使其成為最具前景的鋰電池電極材料之一。然而,鋰枝晶的生長將會頂穿隔膜,引起電池短路熱失控,甚至引燃電解液等,導(dǎo)致嚴重的安全隱患。使用具有高機械強度的固態(tài)電解質(zhì)代替電解液,可以有效阻止鋰枝晶生長,從而提高鋰金屬電池(LMBs)安全性。相比無機電解質(zhì)較高的界面接觸阻抗,聚合物電解質(zhì)(SPEs)能與電極形成緊密的物理接觸,從而被廣泛關(guān)注。然而,用于導(dǎo)鋰的含氧極性官能團容易被氧化,成為限制電化學(xué)穩(wěn)定性的瓶頸之一。雖然通過開環(huán)聚合消除弱鍵、引入含氟官能團等策略能拓寬電化學(xué)窗口(ESW),但寬ESW難以直接轉(zhuǎn)化為長循環(huán)LMBs的高截止電壓。一方面,測試ESW的線性掃描伏安法使用的阻塞電極通常是平坦的不銹鋼,與具有高表面積碳導(dǎo)電劑的實際電極相比,顯示出較低的反應(yīng)活性,容易高估ESW;另一方面,具有過渡金屬的正極材料較強的催化活性,易加劇了氧化。到目前為止,適用于截止電壓為4.5V或更高的長循環(huán)LMBs的聚合物電解質(zhì)還有待證明。
近日,中科院蘇州納米所陳立桅團隊陳琪研究員等應(yīng)用多氟化交聯(lián)劑來增強聚合物電解質(zhì)的抗氧化性。交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有助于傳遞多氟化鏈段的吸電子效應(yīng),并且具有普適性。進一步通過組分優(yōu)化之后,基于多氟交聯(lián)劑的聚合物電解質(zhì),同時表現(xiàn)出寬ESW,高電導(dǎo)率和高機械強度。組裝的Li||NCM523全電池在0.5C 和4.5 V 的截止電壓,獲得了~164.19 mAh g-1的高放電比容量,并且在200 次循環(huán)后容量保持率90%,是當前領(lǐng)域報道的最佳循環(huán)穩(wěn)定性之一。本研究以Polyfluorinated crosslinker-based solid polymer electrolytes for long-cycling 4.5 V lithium metal batteries為題發(fā)表在Nature Communications。論文第一作者為中科院蘇州納米所博士生唐凌飛、陳博文和新加坡南洋理工大學(xué)張中漢博士,通訊作者為陳琪研究員和陳立桅研究員。論文工作同時得到了新加坡南洋理工大學(xué)李述周教授,上海交通大學(xué)陳俊超博士,黃雅格博士以及中科院蘇州納米所馬昌期研究員和鋰電工程中心同事同學(xué)們的大力支持。
該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、江蘇省碳達峰碳中和科技創(chuàng)新專項等項目的資助,以及中科院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X)的技術(shù)支持。
圖 1. SPE的制備
圖2. SPE的ESW。 a. Li|PVEC/P(IL-OFHDODA-VEC)|C的LSV曲線。b. PIL、POFHDODA、PVEC、P(IL-OFHDODA)、P(IL-VEC)和P(OFHDODA-VEC) 的ESW
圖3 Li|P(IL-OFHDODA-VEC)|NCM523全電池的電化學(xué)性能。a. Li|P(IL-OFHDODA-VEC)|NCM523全電池在0.5 C 下的循環(huán)性能。b. Li|P(IL-OFHDODA-VEC)|NCM523全電池的第1-200 次充放電曲線。c. Li|P(IL-OFHDODA-VEC)|NCM523全電池的倍率性能。d – f.充滿電的Li|P(IL-OFHDODA-VEC)|NCM523軟包電池在折疊前( d ) 和折疊后( e ) 或切割后( f )點亮LED 燈的照片
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