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Angew. Chem. :热裂解聚合物用于固态电池中锂盐的回收


聚合物基固态电解质由于其较高的安全性、柔韧性以及对锂金属(合金)的界面稳定性,被认为是最有应用前景的固态电解质体系,对固态电池的发展具有重要的研究意义。目前,聚合物电解质中的锂离子主要来自于外加的锂盐,其中,双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)由于高的热稳定性以及在水/氧中的稳定性,是应用最为广泛的锂盐。然而,LiTFSI价格昂贵,售价是目前商用电解液中LiPF6的两倍以上,是固态电池成本升高的关键因素之一。


在前期研究工作的基础上,北京化工大学周伟东教授团队以SnF2和SnF2-LiPF6为催化剂制备了三种可热解聚的聚醚类电解质,并受其启发,研究了传统的聚氧化乙烯(PEO)电解质在Lewis酸催化条件下的热分解行为。借助PEO等聚醚的热分解,提出了回收LiTFSI的不同路线,回收率达到80%以上,该研究将有助于降低固态电池的成本,并减少环境负担。

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通过SnF2催化剂和SnF2-LiPF6复合催化剂催化2,2,3,3-四氟丙氧基-1,2-氧化丙烯(TFP)分别与1,2-二氧戊环(DOL)、四氢呋喃(THF)和1,2-环氧丁烷(EOB)共聚,并研究了催化剂对三种聚合物电解质的热稳定性的影响,发现催化剂会使该类聚合物处于聚合-解聚的平衡状态,降低了聚合物电解质的热稳定性以及与锂负极的相容性。除去催化剂之后,该类聚合物电解质均可以实现100℃条件下在锂金属电池中的长时间稳定循环。进一步的扩展至广泛研究的PEO电解质,发现SnF2-2LiPF6(摩尔比1:2)复合催化剂可将PEO电解质的热解温度降低70℃,实现与LiTFSI的分步热分解。

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分别通过在不同温度下烧结所制备的TFP-DOL聚合物电解质、PEO-LiTFSI电解质以及加入了SnF2-2LiPF6的PEO-LiTFSI电解质,成功回收得到了LiTFSI,收率高达80%以上。为了进一步的降低对环境的负担,又利用乙二醇高温溶解-低温析出的方式,提取出PEO-LiTFSI中的PEO,再将残余物进行热处理,实现了低污染条件下的LiTFSI的高效回收。

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将不同路径回收得到的LiTFSI(R-LiTFSI)与商业购买的LiTFSI进行对比,其化学表征和电化学性表征结果,都与商用LiTFSI没有明显差别,表明回收的LiTFSI纯度较高。并且使用R-LiTFSI重新做成PEO-R-LiTFSI电解质膜,组装了全固态的Li/LiFePO4电池,电池可以长时间稳定的循环。


本文通过研究不同催化剂条件下聚醚类电解质的热稳定性,提出了高温烧结聚合物电解质回收LiTFSI的方法,提高了LiTFSI的利用率,降低其应用成本,对于降低聚合物电解质的成本及其未来的大规模应用具有重要意义。

文信息

Thermally Depolymerizable Polyether Electrolytes for Convenient and Low-cost Recycling of LiTFSI

Wei Li, Le Ma, Sisi Liu, Xiaolei Li, Jian Gao, Shu-meng Hao, Weidong Zhou


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202209169







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