東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉天西教授、王麗娜副教授課題組報(bào)道了一種通過選擇性引發(fā)聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯（PEGMEA）溶劑原位聚合的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，將其用于鋰金屬電池。在該體系中，同時(shí)引入氟代碳酸乙烯酯（FEC）添加劑，在鋰電極表面構(gòu)筑富氟化鋰的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜。基于這種凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）的鋰金屬電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
自上世紀(jì)九十年代以來，以石墨為負(fù)極的鋰離子電池已經(jīng)主導(dǎo)了消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)。近年來，隨著人們對(duì)具有更高能量密度電子器件需求的不斷增長(zhǎng)，激勵(lì)了研究者們對(duì)鋰金屬電池的研究興趣。鋰金屬具有3860 mAh g?1的高理論比容量和?3.04 V的低還原電位（vs. SHE）。當(dāng)鋰金屬負(fù)極與高電壓正極匹配時(shí)，其能量密度可達(dá)鋰離子電池（≤300 Wh kg?1）的兩倍以上。然而由于其較高的化學(xué)反應(yīng)活性，電解液會(huì)在鋰金屬表面還原形成不均勻不穩(wěn)定的SEI膜，導(dǎo)致循環(huán)過程中電解液的持續(xù)消耗與鋰枝晶的不可控生長(zhǎng)。為了克服LMB的安全隱患，研究者們發(fā)現(xiàn)在電池中原位生成的GPE有望保持較好的力學(xué)性能，并與電極保持良好的接觸，降低界面電阻。而同時(shí)引入電解液添加劑，調(diào)控界面化學(xué)成分，有利于抑制枝晶的生長(zhǎng)，加速界面電荷傳質(zhì)過程。
圖1. (a) 原位聚合固態(tài)電解質(zhì)的制備過程示意圖； (b) PEGMEA單體在AIBN誘導(dǎo)下的聚合反應(yīng)；(c)電解質(zhì)聚合前后的光學(xué)照片。 圖2. Li||Li對(duì)稱電池的電化學(xué)性能。（a，b）電流密度0.1 mA cm?2，限制容量0.2 mAh cm?2；（c，d）電流密度0.5 mA cm?2，限制容量1.0 mAh cm?2。 基于上述考慮，作者用基于PEGMEA單體的混合溶劑來制備電解質(zhì)前驅(qū)體溶液，將其注入電池，并將組裝后的電池在60℃下加熱，在引發(fā)劑的作用下，誘導(dǎo)PEGMEA單體聚合，以實(shí)現(xiàn)電解液的原位凝膠化。電化學(xué)測(cè)試顯示，所組裝的鋰金屬對(duì)稱電池在0.5 mA cm?2條件下可實(shí)現(xiàn)超過1400小時(shí)的穩(wěn)定循環(huán)。此外，使用磷酸鐵理正極的電池的放電容量可達(dá)135.6 mAh g?1，循環(huán)300次后容量保持率為93%。這些結(jié)果表明通過原位聚合制備準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)是實(shí)現(xiàn)下一代高能量密度鋰金屬電池的有效策略。 論文信息 A Quasi-Solid Electrolyte by In Situ Polymerization of Selective Solvent for Lithium-Metal Batteries Jin Wang, Chengzhou Tao, Jiaming Cao, Xiaoxia Jiao, Prof. Lina Wang, Prof. Tianxi Liu ChemElectroChem DOI: 10.1002/celc.202200957
