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Batteries&Supercaps:交联刷状聚合物固态电解质:构建可以在室温下工作的全固态锂金属电池

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电动交通、可穿戴电子设备、智能机器人和无人机的空前发展使电能储存器件从多维度贴近人类的日常生活,同时也对电池材料的能量密度、循环寿命和安全性提出了更为严格的要求。锂金属电池由于具有高比容量和低电化学势,是新一代储能器件。然而,锂金属电池在电池充放电循环过程中易形成锂金属枝晶,特别是在以有机液体电解质为基础的锂金属电池中,枝晶的不可控生长会带来电池穿刺、起火、爆炸等一系列安全隐患。因此,基于固态电解质的全固态锂金属电池已成为科学界和现代电池工业关注的焦点。


固体电解质是固态电池研发的关键材料,也是决定固态电池能否产业化的重要因素。有机聚合物离子导体成本低,成型加工性好,而且可以通过自身的弹性和塑性形变弥补电池充放电过程中电极材料体积变化导致的诸多界面问题,是最具潜力的固态电解质材料之一。但聚合物固态电解质缓慢的链段动力学导致其室温下离子电导率较低,目前仍很难满足高性能锂电池领域的实际应用需求。

近日,华南理工大学郭子豪教授和国防科技大学周新贵教授课题组设计了一种无机粒子交联的聚合物刷状结构,通过原位光引发成膜工艺,得到了一种集高离子导电率、高枝晶抗性、高热稳定性和耐火性于一体的固态电解质薄膜,为现代高能锂电池的发展提供了有效方案。


与交联的线性网络相比,交联的刷状结构中一端被释放的导电高分子链段享有更多的自由体积,可以实现更高的链段运动能力和离子电导率;坚硬的无机笼型聚倍半硅氧烷(POSS)粒子作为增强相并构建三维交联网络结构,赋予电解质薄膜优异的机械强度(57 MPa)和热稳定性(≥300°C)。此外,论文发现并揭示了交联刷状聚电解质中离子电导率与侧链长度的非线性对应关系及其机制,为刷状聚电解质的性能优化提供了思路和理论基础。原位光引发聚合得到的固态电解质薄膜厚度为200 – 20 μm,在500次循环过程中表现稳定的锂电化学沉积,并在全固态锂金属电池中表现优异的电化学性能,为室温储能和高能量密度电池工业提供了一种可行的固态电解质材料设计。

论文信息:

Crosslinked polymer-brush electrolytes: an approach to safe all-solid-state lithium metal batteries at room temperature

Xiaoyu Ji, Shimei Li, Mengxue Cao, Ruiqi Liang, Lin-Lin Xiao, Kan Yue, Shaohong Liu, Xingui Zhou, Zi-Hao Guo

论文第一作者为国防科技大学与华南理工大学联合培养的博士研究生纪小宇,通讯作者为郭子豪副教授。论文获得了国家自然科学基金和广东省珠江人才项目的支持。


Batteries&Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202100319


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