Advanced Materials: 分子间相互作用助力固态聚合物电解质在高能量密度锂电池的应用

锂电池已经广泛地应用于国民经济的诸多方面。然而,随着消费电子产品和电动汽车对锂电池能量密度和安全性能要求的不断提升,开发兼顾两者性能的高性能锂电池迫在眉睫。固态聚合物电解质作为一种重要的锂电池电解质材料,具有优异的安全性、良好的加工性能、适合大规模生产等特点,引起了锂电工作者们广泛的关注和研究。然而,聚合物电解质与高电压正极材料的兼容性以及离子电导率一直困扰着固态聚合物锂电池性能的继续提升。因此,寻找解决离子电导率和高电压正极兼容性的新思路对高能量密度固态锂电池的发展具有重要意义。

最近,中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊课题组从分子间相互作用力的角度出发,在Advanced Materials上发表了题为“Intermolecular chemistry in solid polymer electrolytes for high energy density lithium batteries”的综述文章。文章系统地总结并探讨了聚合物电解质中的聚合物与锂盐、聚合物与塑晶、锂盐与无机添加剂之间的相互作用对离子电导率及高电压正极兼容性的影响,提出利用分子间超分子化学作用解决困扰高能量密度锂电池聚合物电解质的瓶颈,并对未来聚合物电解质的发展进行了有益的展望。

离子电导率决定着锂离子在电解质中的传输性能,然而聚合物电解质的离子电导率普遍偏低,这限制了聚合物固态锂电池在室温以及高倍率下性能的发挥。综述研究结果表明聚合物电解质中的离子-偶极相互作用强度会影响自由锂离子的浓度;氢键或者π-π相互作用等弱键的引入有可能在电解质中形成新的锂离子传输通道;同时存在于无机/聚合物复合电解质体系中的路易斯酸碱相互作用会在界面处形成渗流等新离子传输通道,这些相互作用均会显著地影响和提升聚合物电解质的离子传输性能。聚合物电解质与高电压正极材料的兼容性决定着锂电池的充电上限电压,这与锂电池能量密度提升息息相关。然而,截止到目前为止关于聚合物电解质与高电压正极材料之间兼容性的机理解释并不多。因此,本文从分子间相互作用的角度出发,结合文献进展,详细探讨了聚合物电解质中路易斯酸碱作用、离子-偶极等相互作用对电解质氧化稳定性(HOMO能级)尤其电化学稳定性的影响规律,这对解决高电压正极的兼容性具有重要的启示作用。

该综述呼吁科研人员重视聚合物电解质中的分子间相互作用,希望该文能够激发研究者对分子间相互作用及离子传输和界面电化学稳定性能之间关系的深入思考和广泛研究,从而为提高聚合物固态锂电池的能量密度及综合性能铺平道路。相关文章在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201902029)上。