用固态聚合物电解质构筑固态电池是提高高能量密度金属锂电池安全性

引言

锂金属电池被认为是最具吸引力的下一代高能量密度储能体系之一。然而，液态电解质体系的不可控的锂枝晶会刺破隔膜，诱导电池内部短路，引发电池起火甚至爆炸。利用固态聚合物电解质构筑固态电池是提高高能量密度金属锂电池安全性的有效途径之一。尤其当固态电解质具有快速自修复的性能时，锂金属电池的安全问题将会得到大大提高。然而在实用化进程中，制备出高离子电导率与稳定性兼顾的固态聚合物电解质仍然是很具有挑战的一件事。

成果简介

近日，中国科学院化学研究所郭玉国课题组与河北师范大学吴娜、周金明，通过对分子结构进行设计及调控，并采用温和的缩聚反应制备出固态金属锂电池用可快速自修复的固态聚合物电解质材料。这种电解质不仅能在一分钟内实现快速自我愈合，还同时具有刚柔并济骨架结构及高的离子导电率。在基于该自修复聚合物电解质的全固态金属锂电池中，金属锂的电化学沉积/溶解行为更加规整。由该自修复聚合物电解质构筑出的固态金属锂电池，表现出可自由弯折的柔韧性及稳定的循环性能，在长寿命的可穿戴电子器件领域有巨大的应用潜力。上述成果以题为“Self-Healable Solid Polymeric Electrolytes for Stable and Flexible Lithium Metal Batteries”发表于国际著名期刊Angew.Chem.Int.Ed.上。

图文导读

图1. 自修复固态聚合物电解质(SHSPE)分子设计及修复性能研究

(a)自修复固态聚合物电解质(SHSPE) 的超分子结构和动态氢键

(b)SHSPE可在 60s内完成自修复过程

图2. SHSPE 的形貌及基本性能（结晶性、电导性等）展示

(a,b)不同尺寸的SHSPE数码照片

(c,d)SHSPE表面(c)和截面(d)的SEM图

(e) NH₂-PEG-NH₂、无锂盐的超分子聚合物和SHSPE的XRD图

(f) SHSPE的离子导电率随温度变化的线性拟合图

图3. 基于SHSPE的锂/锂对称电池性能研究

(a)分别基于液态电解质和SHSPE的锂对称电池的循环稳定性的对比

(b)分别基于液态电解质 (I-III) 和SHSPE(IV- VI)的锂对称电池第1 (I, IV)、40(II, V) 和80(III, VI)循环后的锂金属负极表面的SEM图

图4. LiFePO₄/Li 全电池电化学性能及柔韧的全固态电池性能展示

(a) Li|SHSPE|LiFePO₄锂金属电池第1和第20圈充放电曲线过电位变化比较

(b) Li|SHSPE|LiFePO₄固态电池的循环性能

文献链接：Self-Healable Solid Polymeric Electrolytes for Stable and Flexible Lithium Metal Batteries. （Angew. Chem. Int. Ed.，2019， doi:10.1002/anie.201910478 ）

本文由kv1004供稿。