北京工业大学Nano Energy：无定形硅烷封端聚醚3D结构聚合物电解质打造高性能锂金属电池

u2175908346 7年前 (2017-10-20) 3773浏览

【引言】

因为金属锂的高理论比容量，可充电的Li金属电池（LMBs）为高能量密度、长寿命电子器件的能量需求提供了可能。然而，使用液体电解液，有许多弊端阻碍了LMBs的进一步发展，尤其是Li枝晶生长引起的安全问题。为了提高LMBs的安全性和循环稳定性，采用聚合物电解质（PE）和无机固体电解质（ISE）可以有效避免液体电解质的泄露和燃烧等问题。相比于ISE对水和氧高敏感性以及与电极的刚性界面接触，PE的不同之处在于有良好的柔性以及对电极有较强的粘附性，因此它被视为实现高性能LMBs的理想选择。

聚氧化乙烯（PEO）是研究较早且广泛的聚合物电解质，具有诸多优点。但是，PEO-PE的锂离子电导率低和电化学稳定窗口窄等问题大大限制了其应用前景。最近报道的聚硅氧烷（PSI）-PE具有高离子电导率，低玻璃化转变温度以及-Si-O-引起的非晶结构，为Li+提供了充足的扩散通道。然而多数PSI-PE在室温下是液态/凝胶状，这不利于固态电池器件的组装。受PEO-PE 和PSI-PE的启发，研究人员通过硅烷封端聚醚（MSTP）单体聚合，引入四乙二醇二甲醚（TEGDME），制备了一种具有交联网状结构的无定形硅烷封端聚醚聚合物电解质（MSTP-PE），提高了离子电导率并改善了电极的界面兼容性。

【成果简介】

近日，北京工业大学材料科学与工程学院尉海军教授（通讯作者）研究小组通过一种交联的方法制备出改性的硅烷封端聚醚基聚合物电解质。因其具有3D网络结构，在室温下该无定形聚合物电解质有高离子电导率（0.36mS/cm）、高热稳定性（Tm=379℃）、高离子转移数（0.65）、达5V的电化学窗口以及和电极良好的兼容性。该研究成果以“Amorphous modified silyl-terminated 3D polymer electrolyte for high-performance lithium metal battery”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图1. MSTP-PE的合成

（a）MSTP-PE聚合前后的照片，示意图是MSTP-PE的交联网络结构；

（b）MSTP单体的分子结构和MSTP-PE的聚合过程。

图2. MSTP-PE的表征

（a）  MSTP-PE表面和截面的扫描电镜图；

（b）  柔性MSTP-PE的照片；

（c）  PEO-PE和 MSTP-PE的XRD比较；

（d）  MSTP-PE的TG和DSC曲线。

图3. MSTP-PE的电化学分析

（a）  PEO-PE和MSTP-PE的离子电导率随温度变化的关系；

（b）  在10mV极化电位下，Li/MSTP-PE/Li对称电池的计时电流图，插图是极化前后的EIS图；

（c）  在室温下经不同老化时间后Li/MSTP-PE/Li对称电池的EIS图；

（d）不锈钢作为对电极，在1mV/s的扫描速度下MSTP-PE的线性扫描伏安曲线，插图是在稳定的电化学窗口下，电流密度放大部分；

（e）  在25℃，分别在0.05 mA /cm2 和0.1 mA/cm2的电流密度下，使用MSTP-PE进行超过800h 的Li沉积/溶解时的电势图，插图是在不同电流密度下，不同时间段的电势图。

图4. LiFePO4/MSTP-PE/Li 电池的电化学性能测量

（a）  在室温下，采用液体电解质和MSTP-PE时LiFePO4阴极在0.1C的电流密度下初始充放电曲线对比，插图是两电池相应的CV曲线；

（b）  LiFePO4/MSTP-PE/Li电池经过30个循环周期的CV曲线保持稳定；

（c）  LiFePO4/MSTP-PE/Li电池在室温下的倍率性能；

（d）  LiFePO4/MSTP-PE/Li电池在1C时的循环性能，插图是电池经过不同循环次数的充放电曲线；

（e）  LiFePO4/MSTP-PE/Li电池在3C时的循环性能，插图是电池经过不同循环次数的充放电曲线。

图5. 软包装电池的应用

（a）  软包装电池的电压测试；

（b）  软包装电池经过多次裁剪后仍能够使LED灯发光；

（c）  软包装电池对折后使LED灯发光；

（d） 软包装电池经过严重卷曲后使LED灯发光。

【小结】

研究人员用硅烷封端的聚醚单体,通过交联反应制备了MSTP-PE，然后构建LMBs。由于骨架中具备快速的Li+迁移通道和硅烷基聚合形成的交联网络结构，这种非晶和均匀的MSTP-PE有高的Li 离子电导率，优良的柔性、高的热稳定性以及宽的电化学窗口。这使LiFePO4/MSTP-PE/Li电池在不同温度下具有高可逆比容量和优秀的循环稳定性。这为发展高性能金属电池用的稳定PE提供了新的途径。

文献链接：Amorphous modified silyl-terminated 3D polymer electrolyte for high-performance lithium metal battery （Nano Energy,2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.021）

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