北大深研院潘锋Adv. Mater.：基于MOF材料具有纳米润湿界面的高能量密度锂电池固态电解质

【引言】

固态电解质可以克服传统液体电解质存在的易泄露、易燃等问题，此外，还能够抑制锂枝晶的生长，使基于金属锂负极的高能量密度电池成为可能，因而成为目前国内外的研究热点。目前，由于固体电解质和电极材料之间的不良物理接触而造成的界面电阻大是阻碍固态锂电池实际应用的最主要问题。开发一种在电解质体相和电解质/电极界面均具有优良离子传导性能的固体电解质对于实现固态锂电池的广泛应用至关重要。

【成果简介】

近日，北京大学深圳研究院潘锋教授课题组开发了一种新型类固体电解质，该电解质以MOF材料为骨架，含有锂盐的离子液体作为锂离子导体寄宿于MOF骨架中，相关成果以“A Metal-Organic-Framework-Based Electrolyte with Nanowetted Interfaces for High-Energy-Density Solid-State Lithium Battery”发表于Adv. Mater上。该新型类固体电解质（Li-IL@MOF）具有高的室温电导率（3.0×10^-4 S cm^-1），锂离子迁移数可达0.36，与锂金属和LiFePO₄（LFP）正极材料均具有良好的相容性。采用此电解质组装的Li∣LiFePO₄电池正极活性物质的负载量可达25 mg cm^-2，电池具有良好的循环性能，可在-20到150℃温度范围内运行良好。采用此新型电解质的电池具有如此优异性能，这是因为：1）电解质内部MOF纳米晶紧密堆叠，因此寄宿于不同MOF纳米晶中的离子液体可直接相连，因而电解质具有较高的电导率；2）MOF表面附近未被束缚的离子液体具有优异的界面润湿能力，使得固态电解质和正极材料之间具有良好界面接触，这降低了界面电阻；3）MOF材料特殊的孔道结构可以限制大尺寸的离子液体阳离子[EMIM]⁺和阴离子[TFSI]^-的移动，而不影响小尺寸的锂离子的移动，因而具有较高的锂离子迁移数。

【图文导读】

图1 采用Li-IL@MOF电解质的固态电池结构及纳米润湿界面机理示意图

图2 Li-IL@MOF类固体电解质的电化学性质

a.添加不同量Li-IL的Li-IL@MOF类固体电解质电导率随温度的变化

b.Li-IL@MOF(1.5ml:1.2g)类固体电解质在-20到100℃温度范围内的EIS图谱，插图为高频区域的放大图

c.对b)所得电导率的Arrhenius拟合

d.室温下Li∣Li-IL@MOF∣SS非对称电池前三个循环的CV（-0.5-3V）和LSV（3-7V）图（扫描速度为0.2 mV s^-1）

图3 Li∣Li-IL@MOF∣Li对称电池测试结果

a.在0.05和0.2 mA cm^-2电流密度下，Li∣Li-IL@MOF∣Li对称电池的电压随时间的变化曲线

b.Li沉积/溶出循环前后Li∣Li-IL@MOF∣Li对称电池的EIS图谱

c.Li沉积/溶出循环后界面结构变化示意图

图4 正极和电解质的形貌和组成表征

a.d. 正极层和电解质层的光学照片

b.正极与电解质双层结构的SEM图

c.e. f. 正极与电解质双层结构的EDS面分布图

图5 Li∣Li-IL@MOF∣LFB固态电池的循环性能和库伦效率

a.室温下0.1C倍率下Li∣Li-IL@MOF∣LFB固态电池的循环性能和库伦效率

b.Li∣Li-IL@MOF∣LFB固态电池在不同温度下的循环性能

【小结】

该研究将添加了锂盐的离子液体装填于MOF骨架中，在电极/电解质界面处，MOF材料的三维开放结构使得受限于MOF骨架中的Li-IL可与电极活性物质直接接触，形成丰富的纳米润湿界面，这有效降低了界面电阻，促进了锂离子的传输。该电解质构筑方法是一种通用的方法，通过改变离子液体中金属离子的种类，此方法可扩展用于其他如K、Na、Mg、Al等电池中。

文献链接：A Metal-Organic-Framework-Based Electrolyte with Nanowetted Interfaces for High-Energy-Density Solid-State Lithium Battery（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704436）

本文由材料人编辑部张亲亲编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部

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