擁有高性能高安全的高壓固態(tài)鋰電池已被成功研制出

（文章來源：孜然學(xué)術(shù)）
崔光磊教授等人制備了具有優(yōu)異性能且高安全性的液體高壓鋰金屬電池，室溫下循環(huán)200次，當(dāng)循環(huán)電壓在3.0到4.5V之間時(shí)，具有85%的容量保持率。本文的方法為設(shè)計(jì)固態(tài)高壓鋰金屬電池提供了新思路。

固體聚合物電解質(zhì)（SPEs）被認(rèn)為是解決液體高壓鋰金屬電池（HVLMBs）的安全性和循環(huán)性能的關(guān)鍵之一，但至今為止商業(yè)化發(fā)展仍然受限于較低的電導(dǎo)率和界面相容性差等問題。近日，中科院青島生物能源所崔光磊教授與馬君副研究員借助聚偏氟乙烯-聚醋酸乙烯酯（PVDF-PVAC）剛?cè)岵?jì)的組合制備SPEs，同時(shí)選擇性的被環(huán)丁砜（TMS）浸潤，從而制備了具有優(yōu)異性能且高安全性的液體高壓鋰金屬電池。相關(guān)論文以題為“Selectively Wetted Rigid–Flexible Coupling Polymer Electrolyte Enabling Superior Stability and Compatibility of High-Voltage Lithium Metal Batteries”發(fā)表在Adv. Energy Mater.上（影響因子22.884）。

隨著對高能量密度儲能系統(tǒng)的需求不斷增加，高壓鋰金屬電池（HVLMBs）受到廣泛關(guān)注。尤其是LiCoO2（LCO）由于高電壓平臺和高能量密度，是高端便攜式電子產(chǎn)品中最好的正極材料之一。然而，LCO基HVLMBs的循環(huán)壽命和安全性受到了高壓LCO正極和Li金屬負(fù)極與易燃有機(jī)電解液之間的界面相容性。此外，由于聚丙烯（pp）等普通隔膜不能避免鋰枝晶的穿透，從而無法避免電池短路的風(fēng)險(xiǎn)。

固體聚合物電解質(zhì)具有足夠的力學(xué)性能、寬的電化學(xué)窗口和優(yōu)異的安全性能，能夠很好的解決上述HVLMBs中所遇到的挑戰(zhàn)。但問題依然存在：SPEs在室溫下離子電導(dǎo)率低（小于10-5 S cm-2）且與正負(fù)極界面不相容。鑒于此，一般策略是在SPE中加入有機(jī)電解液或者制備凝膠電解質(zhì)，不僅提高了SPE的室溫離子電導(dǎo)率，也提高了SPE和電極之間的界面潤濕性。不幸的是，易燃有機(jī)電解液的加入顯著降低了聚合物電解質(zhì)的力學(xué)性能。

其中， 低易燃添加劑選擇性潤濕的剛性-柔性電解質(zhì)可能是獲得優(yōu)異性能的可行策略之一，剛性-柔性混合已被清楚地證明是高性能固體聚合物電解質(zhì)的一種有前途的設(shè)計(jì)策略。柔性鋰離子導(dǎo)體(如聚合物電解質(zhì))和剛性支撐材料（如無機(jī)電解質(zhì)）的協(xié)同作用使SPEs具有高離子電導(dǎo)率、優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的界面相容性。如果所選添加劑如果只能選擇性地潤濕柔性電解質(zhì)，而與剛性電解質(zhì)無反應(yīng)，則柔性材料的離子電導(dǎo)率和界面接觸以及剛性材料的高力學(xué)性能的保存可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。更加重要的是，利用添加劑之間特定的分子間相互作用，可以靈活地設(shè)計(jì)出一系列綜合性能更好的聚合物電解質(zhì)。因此，選擇性潤濕的剛性-柔性電解質(zhì)策略將有望實(shí)現(xiàn)具有高室溫離子電導(dǎo)率、力學(xué)性能和安全性的SPEs。

因此，作者使用的以PVDF/PVAC/LLZTO CPE選擇性地被微量（5L cm-2）TMS潤濕為主要方法，構(gòu)造了高達(dá)4.5V的LCO基HVLMBs。其中，剛性PVDF/LLZTO保持足夠高的機(jī)械強(qiáng)度，柔性PVAC/TMS具有較高的離子電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性窗口。此外，在正極表面具有低燃性、高粘度和良好的負(fù)極穩(wěn)定性的TMS將提高電極/電解質(zhì)界面的相容性和安全性。更重要的是，由于PVDF和PVAC與TMS的分子間相互作用差異明顯，TMS只能選擇性地潤濕PVDF/PVAC基CPE中的PVAC，有助于提高Li+電導(dǎo)率和界面相容性。電化學(xué)結(jié)果表明：組裝的LiCoO2/鋰金屬固態(tài)電池在室溫下循環(huán)200次，當(dāng)循環(huán)電壓在3.0到4.5V之間時(shí)，具有85%的容量保持率。此外，制備的SPEs軟包電池也具有優(yōu)異的安全性和良好的界面相容性。本研究提供了一種有前途的、通用的選擇性潤濕設(shè)計(jì)策略來處理HVLMBs中存在的兼容性和安全性問題。

總之，本文證明了一種選擇性潤濕的剛性-柔性電解質(zhì)策略，以提高HVLMBs中固體聚合物電解質(zhì)的綜合性能。添加劑TMS會選擇性的與PVAC結(jié)合，在正極和負(fù)極界面形成PVAC/TMS層，提高了界面相容性。此方法為設(shè)計(jì)固態(tài)高壓鋰金屬電池提供了新思路。
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