Angew. Chem. :聚合物电解质锂离子通道的开启及稳定构筑

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锂离子电池在人们的日常生活中发挥着不可或缺的作用,但其安全性和循环稳定性仍有待提高。近日,哈尔滨理工大学的李丽波教授通过原位聚合乙酰乙酸烯丙酯(AAA)单体,成功开发了一种高度安全、灵活的固态聚合物电解质(SPE)。通过在该SPE内部构建高效Li+传输通道,获得了3.82×10-4 S cm-1的室温离子电导率,并有效改善了固态电池的固-固界面接触,降低了界面阻抗。


此外,制备了具有氧空位的层状SiO2有效束缚TFSI-,令游离Li+能够在聚丙烯基乙酰乙酸酯(PAAA)中的C=O活性位点上快速迁移,构建了锂离子通道。


因此,组装的磷酸铁锂电池在0.5 C和室温下循环时具有优异的初始放电比容(140.6 mAh g-1),经过500次循环后,容量保持率仍为70%。5 C循环时的初始放电比容量也高达132.3 mAh g-1,同时保持了出色的循环稳定性。

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通过分子动力学模拟也表明该SPE内部形成有效的Li+通道。在原位聚合过程中,PVDF和P(VDF-HFP)均匀分布在PAAA间隙内。这种由-F基团与-C=O和-C-O-基团相互作用产生的电负性带作为锂离子的传输通道。PAAA内-C=O和-C-O-基团中氧的电负性差异作为梯度驱动力,促进了锂离子的迁移。


同时,添加SiO2后,SiO2中的Si原子获得正电荷,并与TFSI-有效结合。在聚合物与SiO2的界面处,SiO2中的O原子利用PAAA、PVDF中的氧和P(VDF-HFP)中的F形成的不同电负性,加速锂离子的迁移。

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进一步探索Li+通道的成功构筑及发挥的优异作用,利用7Li魔角自旋核磁共振分析了Li+的迁移行为,证实了游离Li+在各相间的自由输运。并通过分析DRT及Tafel结果证实PAAA和SiO2协同促进了SPE内锂离子通道的打开和稳定,确保了整个电池中Li+浓度梯度均匀,保证了电池内部的低极化,并使电池能够长期稳定运行。

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最终,本工作通过开发能够自主打开和稳定构建内部Li+输运通道的SPE,保证了电池优异的界面稳定性、优异的倍率性能和良好的循环稳定性,能够匹配高压及高负载电极。该工作为固态电池的实际应用提供了一种新策略。

文信息

Opening and Constructing Stable Lithium-ion Channels within Polymer Electrolytes

Yangmingyue Zhao, Prof. Libo Li, Da Zhou, Prof. Yue Ma, Prof. Yonghong Zhang, Hang Yang, Shubo Fan, Hao Tong, Suo Li, Wenhua Qu

文章的第一作者是哈尔滨理工大学的博士研究生赵杨明悦。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202404728


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