北京化工：原位構建“陶瓷”電解質可實現長循環鋰金屬電池

中國粉體網訊  近日，北京化工大學楊小平、隋剛教授課題組在國際知名期刊Energy Storage Materials（影響因子：20.831）上發表題為“In-situ constructing ‘ceramer’ electrolytes with robust-flexible interfaces enabling long-cycling lithium metal batteries”的研究工作。

本文通過原位共價交聯妙地結合了陶瓷二氧化硅（SiO₂，如高模量）和聚合物聚1,3-二氧戊環（PDOL，如柔韌性/與電極的良好界面）的性能優勢，將介孔納米SiO₂顆粒與PDOL鏈以共價鍵橋接生成均勻且致密的導鋰網絡。獲得的新型有機-無機復合（“Ceramer”）電解質表現出高模量和高柔韌性的特性，可實現鋰金屬負極的無枝晶剝離/電鍍循環，在LiFePO₄//Li和高壓LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM811)//Li電池中表現出優異的長循環能力和高容量保留率。這項工作為長循環和高安全的鋰金屬電池中構建綜合性能優異的有機-無機復合電解質開拓了新策略。

具有商用聚烯烴隔膜和液體電解質的鋰金屬電池(LMB)的壽命和安全性會因鋰枝晶以及液體電解質的泄漏和燃燒而劣化。因此，迫切需要設計開發出一種多功能的電解質材料來同時克服上述問題，以開發高安全、高性能鋰金屬電池。本工作中，將末端環氧化的介孔SiO₂涂覆于聚烯烴隔膜上，并通過原位聚合的工藝實現液態電解質的原位固化和PDOL與SiO₂的共價鍵橋接，得到“Ceramer”固態電解質。致密的介孔SiO₂層具有豐富的孔隙結構顯著提高電解液的浸潤性能，SiO₂的Lewis酸位點有利于促進鋰鹽的解離，提高離子電導率。共價交聯后的電解質模量可達2.3 GPa，具有優異的熱穩定性。SiO₂顆粒之間的空隙被導鋰性能優異的高分子量PDOL填充，交織形成均勻且剛柔并濟的導鋰網絡。制備的電解質具有較高的離子電導率（1.2 mS cm^-1）和離子遷移數為（0.71），在Li//Cu并表現出非常穩定的沉積/脫沉積行為（庫倫效率可達98%）。其高的離子遷移數可以減輕極化并減少Li的不均勻成核；SiO₂的高模量有利于物理抑制鋰枝晶；PDOL通過交聯反應在SiO₂表面緊密橋接，填充SiO₂納米顆粒之間的空隙，消除存在的薄弱環節。 

原位光學顯微鏡直觀地展示了該電解質的無鋰枝晶特性。此外，組裝的鋰對稱電池在0.5 mAh cm^-2下穩定循環超過3600小時，在1 mAh cm^-2下穩定循環超過1100小時。此外，組裝的LiFePO₄//Li電池在1C電流密度下，循環500次后容量保持率高達90.3% (此時容量為128.1 mAh g^-1)和99.9%的庫倫效率。即使在更高的電流密度（2 C）下，電池仍可提供128 mAh g^-1的可逆比容量，在1000次循環中每次循環的容量衰減率僅為0.0285%。值得注意的是，在高壓鋰金屬電池NCM811//Li中1 C下500次循環后容量保持率高達80.2%，還可以實現在高正極載量(10 mg cm^-2)的NCM//Li軟包電池中穩定運行，平均庫倫效率達到99%。因此，這一新型“Ceramer”電解質是解決鋰金屬電池中枝晶生長和安全問題的可行策略，并且技術路線便于工業化生產，有望推動高性能、高安全鋰金屬電池的大規模應用。 

該文章第一作者為北京化工大學材料學院博士研究生陳棟莉，隋剛教授為本文通訊作者。北京化工大學為第一完成單位。本研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。

來源：北京化工大學

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（中國粉體網編輯整理/空青）

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