仿生电解质：提升锂金属电池性能的关键

来自 实验室仪器网

最近科研人员研究介绍了一种仿生凝胶聚合物电解质(GPE)，专为高能量密度锂金属电池而设计，可在很宽的温度范围内（-30至80°C）可靠运行。弱溶剂化GPE(WSGPE)是使用侧链与不对称类似物双偶联的支链聚合物合成的。发表在《自然通讯》。

商用锂离子电池通常在-20至60°C的温度下工作。超过此范围，尤其是在高温下，由于使用易燃和低沸点液体电解质，会出现安全问题。虽然固态锂电池的安全性更高，但它们在零下温度下的表现往往不佳。

GPE是一种兼具固体和液体电解质特性的有前途的替代品。然而，传统的GPE在低温下（<25°C）往往表现出较高的脱溶能和较低的离子迁移率，并且在高温下（>80°C）容易发生副反应。

为了解决这些问题，本研究从水草的结构中汲取灵感，利用分支网络控制与水的相互作用。研究人员应用这一概念设计了一种具有受控聚合物-液体相互作用的GPE，以及一种刷状聚合物网络，可增加接触点，从而实现弱溶剂化行为。

方法
WSGPE的合成使用了氟代碳酸乙烯酯(FEC)、甲基丙烯酸三氟乙酯(TFMA)作为单体、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)作为交联剂、2,2'-偶氮双(2-甲基丙腈)作为引发剂的混合物。这些混合物溶解在锂双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺-乙基3,3,3-三氟丙酸酯(LiTFSI-FEP)前体中。

使用傅里叶变换红外(FTIR)和拉曼光谱对电解质进行表征，然后进行核磁共振(NMR)。使用燃烧测试评估阻燃性能。

电化学测量在环境室中进行。使用Li|SS电池中的电化学阻抗谱(EIS)评估离子电导率。线性扫描伏安法(LSV)测量25°C下的电化学窗口。

采用制备的WSGPE，通过浆料涂覆法组装Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)和Li||LiCoO2(LCO)电池，并利用电池测试系统评估其倍率和循环性能。

使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对锂箔和NCM811正极进行了循环后分析。还进行了分子动力学模拟，以确定所提出的WSGPE的工作机制。

WSGPE表现出良好的电化学性能，其电化学稳定窗口高达5.05V，锂离子迁移数为0.83，室温下离子电导率为4.40×10-4S/cm，适合用于高电压锂金属电池。

在Li|WSGPE|NCM811电池中，电解质支持154.8mAh/g的比容量，在300次循环后保持92.5%的容量保持率。相比之下，使用传统液体电解质的电池仅实现85.0mAh/g的比容量和50.1%的容量保持率。在376mA/g的电流下，WSGPE电池在200次循环后仍能提供130.4mAh/g的比容量，容量保持率为90.8%。

Li|WSGPE|NCM811电池表现出良好的倍率和循环性能，正极质量负载高达3mg/cm2。值得注意的是，即使负载增加到7mg/cm2，容量仍然保持稳定。

WSGPE还被证实与高压LiCoO2阴极兼容。Li|WSGPE|LCO电池在3.0–4.6V范围内有效运行，在220mA/g的电流密度下，经过150次循环，放电容量达到148.8mAh/g。

在对称Li|WSGPE|Li电池中，电压-时间曲线显示过电位约为200mV，即使在1mA/cm2下也没有出现软短路的迹象。这证实了WSGPE抑制锂枝晶形成的能力。

TOF-SIMS分析证实，锂表面存在均匀且富含LiF的固体电解质界面(SEI)。高含量的LiF分布在表面和整个SEI中。相比之下，溶剂分解产生的Li2CO3很少，表明界面稳定且副反应有限。

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