廣東工業(yè)大學霍延平教授課題組聯(lián)合華南理工大學劉軍教授通過有機無機復合策略設計了一種新型Ga2O3摻雜PEO聚合物電解質(zhì)并成功應用于鋰金屬電池。具有氧空位的納米Ga2O3填料可在充放電過程中形成富鋰的Li-Ga合金，改善了電解質(zhì)-電極界面，提升了鋰金屬電池的電化學性能。
近年來隨著智能手機、電腦及電動汽車的廣泛應用，高效穩(wěn)定的儲能裝置的需求量越來越大。由于較高的能量密度及安全性，全固態(tài)鋰電池被認為是一種優(yōu)異的儲能裝置。研究表明，聚環(huán)氧乙烷(PEO)具有較好的鋰鹽溶解能力、良好的粘性、較低的界面阻抗及制備成本等優(yōu)點而被廣泛應用于全固態(tài)鋰電池。然而，PEO基聚合物電解質(zhì)較低的離子電導率及電化學窗口阻礙了其進一步發(fā)展。 基于上述考慮，設計合成了缺陷豐富的Ga2O3納米塊作為無機填料來改善PEO電解質(zhì)的離子電導率及電化學性能。作者將氧化鎵、LiTFSI分和PEO聚合物均勻分散在乙腈的中，最后通過溶劑揮發(fā)獲得聚合物固態(tài)電解質(zhì)。通過電子順磁共振波譜(EPR)及X射線光電子能譜(XPS)分析，驗證所合成的Ga2O3具有豐富氧空位。通過對Ga2O3摻雜前后電解質(zhì)的電化學交流阻抗(EIS）、X射線衍射(XRD)及紅外光譜(FTIR)，證明Ga2O3的氧空位促進了LiTFSI解離，降低了PEO聚合物鏈段交聯(lián)程度，從而獲得了更高的離子電導率及更好的電化學性能。 此外，通過XPS及掃描電子顯微鏡(SEM)分析發(fā)現(xiàn)，制備的Ga2O3聚合物電解質(zhì)在循環(huán)過程中會形成Li-Ga合金和穩(wěn)定的SEI膜，可以促進了鋰離子的快速遷移，同時可抑制鋰枝晶的生長。因此，Ga2O3摻雜的PEO電解質(zhì)所組裝的電池展現(xiàn)出優(yōu)異的沉脫鋰穩(wěn)定性及充放電性能。 綜上，通過有機無機復合的策略，開發(fā)了一種新型Ga2O3摻雜聚合物固態(tài)電解質(zhì)。通過無機填料的氧空位與LiTFSI、PEO鏈段相互作用，在電解質(zhì)-電極界面構(gòu)筑了穩(wěn)固的富鋰合金層。這種方法為提升聚合物電解質(zhì)的離子電導率及循環(huán)穩(wěn)定性提供一種思路。 圖1. (a) 聚合物電解質(zhì)制備流程圖；(b) 電解質(zhì)光學照片；(c) 不同Ga2O3比例的阻抗；(d) 不同Ga2O3含量在不同溫度下的離子電導率；(e) 阿倫尼烏斯曲線。 圖2. Ga2O3摻雜PEO電解質(zhì)（紅色）與PEO電解質(zhì)（藍色）的電化學性能對比：(a, b) 極化電流曲線及極化前后阻抗; (c) LSV曲線；（d-i）沉脫鋰測試：(d-g) 電流密度0.2 mA cm-2，限制容量0.2 mAh cm-2; (f, g) 電流密度0.2 mA cm-2; (h，i) 電流密度從0.05 到 0.3 mA cm-2。 圖3. Ga2O3摻雜PEO電解質(zhì)循環(huán)前后的XPS：(a)XPS總譜；(b) C 1s譜；(c)F 1s譜；(d) O 1s譜；(e) S 2p譜；(f) N 1s譜；(g) Li 1s譜；(h) Ga 3d譜。 論文信息 Defects-Abundant Ga2O3 Nanobricks Enabled Multifunctional Solid Polymer Electrolyte for Superior Lithium-Metal Batteries Huixue Li, Dr. Xijun Xu, Fangkun Li, Dr. Jingwei Zhao, Prof. Shaomin Ji, Prof. Jun Liu, Prof. Yanping Huo Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202204035
