Advanced Materials： 高熵微区互锁聚合物电解质在先进全固态电池化

不可说 2年前 (2023-05-23) 2430浏览

一、【导读】

        固态电池比液态电池具有更高的能量密度和安全性，被认为是满足下一代电池苛刻要求的最有前途的技术。固态电解质相对较好的力学强度、较高的热降解温度和无溶剂/较少的性质是其卓越安全性的原因。具有优异加工性能的固态聚合物电解质（SPEs）最有希望在未来大规模产业化；然而，SPEs有限的机械强度和相对较低的热降解温度（与无机物相比）掩盖了抑制锂枝晶生长和防止热失控的能力。在所有提高SPE机械稳定性的策略中，引入聚合物链的交联以构建网络结构已被证明是有效的，这有助于在高面电流密度下抑制不希望的锂枝晶生长。然而，提高机械强度和加速SPEs的离子迁移通常是矛盾的。高度交联引起的过高强度降低了聚合物链的流动性并减少了自由体积，从而降低了离子传输。此外，许多报道的工作已经证明，由于表面张力的存在，交联系统不需要过高的剪切模量来抑制锂枝晶的生长。需要开发不同于传统无机颗粒交联和混合的新策略，以平衡机械强度和离子电导率的增加。

二、【成果掠影】

         为了解决全固态聚合物电解质的机械强度和离子电导率相悖性的问题，提出了一种高熵微区互锁的全固态聚合物电解质的设计思路。受高分子和生物化学科学中熵弹性的启发，首次将ABC杂臂星型三元聚合物引入聚环氧乙烷中，提出了高熵微区互锁ASPEs(HEMI-ASPEs)概念。HEMI-ASPE具有多功能聚合物链，可诱导自身组装成具有高拓扑结构熵的微米级和纳米级动态互锁网络。HEMI-ASPE具有出色的韧性。锂对称电池可以稳定循环超过4000 h，以磷酸铁锂为正极、金属锂为负极组装的全电池循环300次容量保持率可达到96%以上。这项工作提出了一种创新的设计理念，为ASPE引入了高熵超分子动态网络提供思路。

      北京凝聚态物理国家实验室容晓晖特聘研究员和胡勇胜研究员联合河北工业大学刘宾元教授，将相关研究工作以“High-Entropy Microdomain Interlocking Polymer Electrolytes for Advanced All-Solid-State Battery Chemistries”为题刊登在《Advanced Materials》上。

三、【核心创新点】

  • 提出ATRP、ROP和化学可控设计，合成具有分子量可控、分子量分布窄ABC三元杂臂共聚物；
  • 提出高熵微区互锁结构全固态聚合物电解质，赋予全固态聚合物电解质优异的韧性、适当的离子电导率、高的阳离子迁移数和良好的热稳定性；
  • 对称电池可以稳定循环超过4000 h，以磷酸铁锂和金属锂为正负极的电池可循环300次，保持率达到96%以上。

四、【数据概览】

图1 全固态聚合物电解质（ASPE）的四种设计策略示意图。© 2022 Wiley-VCH GmbH.

图2 ABC星型三元共聚物（ABCTP）的合成与表征。© 2022 Wiley-VCH GmbH.

图3 含有ASPE和纯PEO基ASPE的ABCTP的电化学性质。© 2022 Wiley-VCH GmbH.

图4 通过有限元法模拟（FEMS）研究锂离子迁移数。© 2022 Wiley-VCH GmbH.

图5 聚合物电解质的热稳定性、机械稳定性和形貌测试结果。© 2022 Wiley-VCH GmbH.

图6 HEMI-ASPE-Li系统的分子动力学（MD）模拟。© 2022 Wiley-VCH GmbH.

五、【成果启示】

        通过ATRP、ROP与“点击”化学活性聚集反应策略，结合物理设计和具有特定末端功能基团的ABCTP，使HEMI-ASPE-Li薄膜具有较高的离子导率，较好的阳离子迁移数和热稳定性。这些改进很大程度上归功于超分子自组引导的高浓度微纳尺寸动态互联网络的形式。HEMI-ASPE-Li | Li对称电池在4000小时内表现出稳定的Li沉积/剥离性能，LiFePO4|HEMI-ASPE-Li|Li在300个循环后表现出高容量保持率(≈96%)。另外，在AS-SMB中也验证了类似的改进，表现HEMI-ASPE的普遍适用性。

原文详情：https://doi.org/10.1002/adma.202209402

本文由早早供稿

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