Small Methods: 聚合物凝胶电解质助力超长寿命准固态锂空气电池

随着社会的不断发展,人们对能量的高效存储技术与器件之需求日益增加。目前,锂离子电池凭借稳定的性能和成熟的工艺得到了广泛应用。然而,锂离子电池的理论能量密度限制了它的发展,因此研发高能量密度及长循环寿命的新型二次电池具有重要意义。锂空气电池具有最高的理论能量密度,受到各国科学人员的重视。但目前的锂空气电池还处于研究初期,由锂金属负极枝晶生长、有机电解液的泄露及燃烧、低效的正极催化剂导致的安全问题和差的电化学性能,一直影响着锂空气电池的进一步发展。

近期,加拿大西安大略大学孙学良教授课题组将先进的空气电极与聚合物凝胶电解质结合,实现了超长寿命的锂空气电池。在本工作中,作者详细地比较了聚合物凝胶电解质与有机液态电解质在锂空气电池中的功效,揭示了聚合物凝胶电解质高的离子导电率和良好的界面接触能力,以及其在阻止氧的穿梭效应、减少电解液挥发和调节锂金属沉积等方面的优势。在制备PVDF-HFP凝胶电解质的过程中,作者发现α相PVDF-HFP聚合物转变成了具有最高极性和更高锂离子亲和力的β相PVDF-HFP。因此,制备的聚合物凝胶电解质可以调节锂离子在其内部以及与锂金属界面的分布,从而促进锂金属均匀成核。通过扫描电子显微镜的表征发现,采用聚合物凝胶电解质沉积的锂金属为文献中常见的柱状锂,而在有机液态电解质中沉积的锂金属为枝晶状。将这种聚合物凝胶电解质与采用原子层沉积技术制备的RuO2基催化剂匹配,组装的锂空气电池可以稳定循环553圈,运行超过1100小时没有容量衰减。

相关研究论文发表在期刊Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800437) 上。本文第一作者为西安大略大学赵昌泰博士,通讯作者为西安大略大学孙学良教授。