Adv. Energy Mater.：混合固态聚合物电解质锂金属电池中电极-电解质界面和电池性能的联系

【引言】

现如今锂离子电池已不能满足电动车等实际应用的高容量需求，而锂金属电池的容量远高于石墨电极可达3860mA h/g，因此锂金属电池最近在企业和学术界都受到了极大地关注。固态聚合物电解质因为其不易燃烧而且具有十分优异地锂枝晶生长阻力而成为锂金属电池理想的电解质，其具有柔性、质轻、电化学性质稳定并且制备简单等优点，比如PEO材料等已经广泛应用于固态聚合物电解质系统中。但是，由于复杂的电池系统和聚合物材料的问题，制备高容量和长循环寿命的全固态聚合物锂金属电池仍是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，德雷塞尔大学Christopher Y. Li教授和华南理工大学潘其维老师（共同通讯）以“Correlating Electrode–Electrolyte Interface and Battery Performance in Hybrid Solid Polymer Electrolyte-Based Lithium Metal Batteries”为题在Advanced Energy Materials上发表文章报道了一系列用于锂金属电池LiFePO₄基正极剪裁设计的混合固态聚合物电解质，其锂金属电池在60℃和90℃同时具有优异地倍率性能和长的循环寿命。一系列混合固态聚合物电解质中可控的网络结构提供了一个用于研究固态聚合物电解质性质和锂金属性能之间关系的系统模式；说明聚合物锂金属电池的循环寿命与固态聚合物电解质（SPE）-Li界面的离子导电性有着密切的联系，锂金属电池的性能能与分子网络结构也有这更深层次的关联。

【图文简介】

图一 交联SPEs制备路线及四种SPEs离子导电性和模量的关系

a) 交联SPEs制备路线；

b) 四种SPEs在90℃下，离子导电性和模量的关系。

图二 电池负极表面SEM和电池的CV测试

a) 电池负极表面SEM图像，内部是负极在不锈钢垫片上的照片；

b) LiFePO₄ |POSS-4PEG2K|Li电池在90℃下的CV测试，扫速为1mV/s。

图三 锂金属电池电化学性能表征

a,c,e,g) 不同锂金属电池电容和库伦效率分别与循环圈数的关系；

b,d,f,h) 在90℃，C/2电流密度下，不同循环圈数时锂金属电池的电压分布。

图四 LiFePO₄ |POSS-2PEG6K|Li电池在60℃下的性能表征

a) 不同倍率下锂金属电池的充放电测试；

b) C/2电流密度下进行恒电流循环测试，电容和库伦效率与与循环圈数的关系；

c) C/2电流密度下进行恒电流循环测试，不同循环圈数锂金属电池的电压分布；

d) 放电电容与放电速率关系图，O 代表本文章工作, □ 代表单粒子三嵌段共聚物， × 代表Ta掺杂Li₇La₃Zr₂O₁₂，Δ 代表65℃下测试的PEO₁₆-LiClO₄-8% ZnAl₂O₄ ，绿色菱形代表原位纳米二氧化硅上的PEO₈-LiClO₄-10% 。

图五 锂金属电池的EIS图和SEM表征

a,b) 锂金属电池在90℃， C/2速率下循环300圈前和循环后的能奎斯特曲线；

c,d) 原始锂金属的SEM图；

e,f) LiFePO₄ |POSS-4PEG2K|Li电池锂正极在90℃， C/2速率下循环300圈后的SEM图。

图六 LiFePO₄ |POSS-4PEG2K|Li电池锂正极XPS表征

a-j) LiFePO₄ |POSS-4PEG2K|Li电池锂正极在90℃， C/2速率下循环300圈后的XPS表征，左边是正极的表面信号，右边是在氩离子枪在1KV电压下溅射1min的表面信号。

图七 锂金属电池性能与离子导电性的关系

a) 锂金属电池在90℃， C/2速率下的循环寿命和体相离子导电性和固态聚合物电解质模量系数的关系；

b) 锂金属电池在90℃， C/2速率下的循环寿命和Li-SPE界面离子导电性的关系。

【小结】 

该工作研究了一系列用于LiFePO₄ /Li电池的电解质，其电解质的网络结构是POSS作为交联剂的交联混合固态聚合物，制备得到的锂金属电池在适中的温度范围内（60-90℃）具有优异地电容和长的循环寿命（>300圈，90℃循环300圈后C_p=136mAh/g）。本研究中锂金属电池的优异性能归因于固态聚合物电解质独特的固有性质，包括良好的机械性能和离子电导性，并且优异的电极-电解质界面能够满足固态聚合物电解质的化学反应。其中，Li-SPE界面的SEI具有高离子导电性，因此在负极和固态聚合物电解质之间没有明显的界面。

该工作第一次报道了Li-SPE界面的离子导电性与锂金属电池的循环寿命紧密相关，而不是固态聚合物电解质的体相离子导电性和模量系数相关。四种固态聚合物电解质系统的SEI性质和分子网络结构相关，证实了在混合结构中调控交联密度和筛孔尺寸的重要性。同时，该研究有望阐明设计高性能锂金属电池的新型固态聚合物电介质。

原文链接：Correlating Electrode–Electrolyte Interface and Battery Performance in Hybrid Solid Polymer Electrolyte-Based Lithium Metal Batteries.( Adv. Energy Mater. , 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701231)

本文由新能源前线Jane915126【李敬】供稿，材料牛整理编辑。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

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