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付丞寅研究员《AEM》:聚合物电解质实现5 V固态锂金属电池

2022.4.29
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norlander

朝花惜拾

  在固态电池中,虽然聚合物电解质能够提供与活性材料良好的接触,聚合物电解质室温离子电导率低和电化学稳定窗口窄的问题使其无法与高电压正极材料和锂金属负极同时匹配并提供理想的室温电池性能。

  近日,瑞士联邦材料科学与技术研究所的付丞寅研究员(第一、通讯作者)等人设计了一种基于离子液体聚合物的固态电解质(PIL-IL),离子液体聚合物提供了极好的锂金属兼容性、高热稳定性(300 °C)和不可燃性,该聚合物电解质还拥有高室温离子电导率(0.8 mS cm-1)和高氧化稳定性(5.4 V)。此电解质可以与锂金属负极和锂离子电池中高电压、高容量的正极材料(LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)与LiMn1.5Ni0.5O4(LNMO))相匹配,并且不要求对活性材料进行任何表面处理,实现在室温条件下具有高容量、高电压、高循环稳定性和高安全性的固态锂金属电池。此外,该聚合物电解质还具有极好的加工性和较低的成本(低于600元人民币每千克),因此非常利于实现产业化。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上。

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图1.(a)PIL-IL聚合物电解质结构示意图;(b)PIL-IL聚合物电解质照片;电解质(c)表面与(d)截面的SEM照片。

  作者开发了一种基于聚二甲基二烯丙基铵双氟磺酰亚胺(PDADMAFSI)、1-甲基-1-丙基吡咯烷鎓双(氟磺酰)亚胺(PYR13FSI)与双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)的聚合物电解质(图1a)。厚度为85 µm的PIL-IL电解质展现了良好的柔性(图1b-d)。

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图2.(a)PIL-IL的离子电导率;(b)Bruce-Vincent方法测量40PIL-IL的锂离子迁移数;(c)CV与LSV测量40PIL-IL的电化学稳定窗口;(d)热重分析测量40PIL-IL的热稳定性;(e)40PIL-IL不可燃性的展示。

  如图2所示,40PIL-IL不仅具有高离子电导率(0.8 mS cm-1 @25 °C)与高氧化稳定性(5.4 V),还拥有较高的锂离子迁移数(0.44)、高热稳定性(300 °C)与不可燃性。

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图3. Li|PIL-IL|Li电池在(a)0.1、(c)0.2、(e)0.5 mA cm-2室温条件下的循环曲线与相对应的循环过程中的阻抗(b)、(d)、(f);电池在0.1 mA cm-2室温条件下循环200 h后(g)锂金属电极表面与(h)锂金属-电解质界面的SEM照片;循环后锂金属表面SEI膜的XPS(i)定量分析、(j)F1s、(k)C1s、(l)O1s谱图。

  在室温条件下,Li|PIL-IL|Li电池在0.1、0.2、0.5 mA cm-2电流密度下均展现了优异的循环性能(图3a-f)。电池在0.1 mA cm-2循环200 h后的锂金属电极无枝晶生长(图3g)并与聚合物电解质保持着极好的接触(图3h)。XPS定量分析(图3i)与图谱显示(图3j-l),循环后的锂金属电极表面存在一层均匀的SEI膜,其主要组分为LiF。富LiF SEI膜保障了锂金属-电解质界面的稳定性与锂金属电沉积的均匀性。

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图4. NMC811|PIL-IL|Li电池(a)整体截面、(b)NMC811-电解质界面、(c)锂金属-电解质界面的SEM照片;NMC811|PIL-IL|Li电池在0.1 mA cm-2室温条件下的(d)循环曲线与(e)充放电曲线;LNMO|PIL-IL|Li电池在0.1 mA cm-2室温条件下的(d)循环曲线与(e)充放电曲线。

  在NMC811|PIL-IL|Li纽扣电池中,聚合物电解质展现了与正、负极电极材料极好的接触(图4a-c)。在室温条件下,NMC811|PIL-IL|Li电池在0.1 mA cm-2充电到4.4 V的情况下达到了162 mAh g-1的容量(图4d、e),600次循环后容量保持率为72%,平均库伦效率高达99.9%。LNMO|PIL-IL|Li电池在充电到5 V的情况下达到了132 mA h g-1的容量(图4f、g),300次循环后容量保持率为76%,平均库伦效率达到了98.3%。

  小结:作者设计了一种基于离子液体聚合物的固态电解质,该电解质拥有高室温离子电导率、极宽的电化学稳定窗口、高热稳定性与不可燃性,实现了高电压、高性能的室温固态锂金属电池。

  作者简介

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  付丞寅研究员,瑞士联邦材料科学与技术研究所(瑞士联邦理工学院及研究所联合体)。博士毕业于美国加州大学河滨分校;毕业后于美国劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后工作。研究方向聚焦于全固态电池、锂金属电池与锂硫电池。近年来以第一作者身份在Nature Materials, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters, ACS Nano等杂志上发表论文;以第一发明人获得授权欧洲ZL一项。


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