蘇州納米所吳曉東團(tuán)隊(duì)許晶晶等基于聚合物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和陰離子衍生界面層提升鋰金屬電池性能
鋰金屬電池由于潛在的高能量密度被認(rèn)為是下一代最有前途的儲(chǔ)能電池之一,然而傳統(tǒng)有機(jī)液態(tài)電解液的揮發(fā)性、可燃性以及不均勻鋰沉積導(dǎo)致的鋰枝晶生長引起的安全隱患限制了其進(jìn)一步發(fā)展。為了提高電池的安全性,固態(tài)電解質(zhì)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中,聚離子液體基固態(tài)電解質(zhì)因其不可燃性、良好的機(jī)械性能、優(yōu)異的化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性而受到廣泛關(guān)注。但是,室溫離子電導(dǎo)率較低的缺點(diǎn)限制了其在全固態(tài)鋰電池中的進(jìn)一步應(yīng)用。
為了解決上述問題,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所吳曉東團(tuán)隊(duì)許晶晶項(xiàng)目研究員指導(dǎo)碩士生劉靈旺等人通過對單體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),成功制備了一種高離子電導(dǎo)的聚離子液體基凝膠電解質(zhì)。他們首先設(shè)計(jì)并成功合成出了一種極性電荷遠(yuǎn)離主鏈的聚離子液體單體GIMTFSI,然后將其與雙(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)和N-甲氧基乙基-N-甲基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽(MEMPTFSI)離子液體增塑劑復(fù)合得到聚離子液體基凝膠態(tài)電解質(zhì)(GM-GPE)。GM-GPE中豐富的極性電荷可以有效地促進(jìn)鋰鹽離子對解離,特別是陽離子型骨架還能通過庫倫作用將陰離子錨定在聚合物鏈段上,進(jìn)而提高體相中的鋰離子遷移數(shù)。GIMTFSI的長支鏈結(jié)構(gòu)以及增塑劑的引入使得GM-GPE的離子導(dǎo)電率在30℃下高達(dá)4.3 × 10?4 S cm?1,此外GM-GPE還展現(xiàn)了良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和阻燃性。當(dāng)GM-GPE應(yīng)用到鋰金屬電池中,研究發(fā)現(xiàn)其能夠促進(jìn)TFSI-陰離子衍生的SEI膜形成,進(jìn)而抑制鋰枝晶的生長。而MEMP+可以在電場的作用下遷移到鋰金屬負(fù)極表面并產(chǎn)生陽離子靜電屏蔽效應(yīng),進(jìn)一步促進(jìn)了Li+的均勻沉積。得益于上述優(yōu)勢的協(xié)調(diào)作用,LiFePO4|GM-GPE|Li電池在0.2 C下表現(xiàn)出150 mAh g?1的高放電容量,在30°C下經(jīng)過144次循環(huán)后,容量保持率達(dá)到87.6%。本研究為設(shè)計(jì)合成具有高離子電導(dǎo)、高穩(wěn)定和高安全性的優(yōu)良聚離子液體基凝膠態(tài)電解質(zhì)并應(yīng)用于高效安全的鋰金屬電池提供了新的思路。
相關(guān)工作以Excellent Polymerized-Ionic-Liquid-Based Gel Polymer Electrolyte Enabled by Molecular Structure Design and Anion-derived Interfacial Layer為題發(fā)表在國際知名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上,論文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米學(xué)院碩士研究生劉靈旺和蘇州納米所博士后薛江燕,通訊作者為蘇州納米所許晶晶項(xiàng)目研究員和吳曉東研究員。相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,國家自然科學(xué)基金以及江蘇省卓越博士后人才項(xiàng)目的資助。同時(shí)得到了蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X)提供的測試幫助。

圖1.GIMTFSI的合成路線以及GM-GPE的工作機(jī)理示意圖

圖2. GM-GPE的物理化學(xué)性質(zhì)表征

圖3. LiFePO4|GM-GPE|Li的長循環(huán)性能測試
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