Advanced Energy Materials:智能温度响应电解质助力高安全锂金属电池

锂金属具有超高的的理论比容量 (3860 mAh/g),极低的电化学势 (-3.04 V),因此锂金属电池被视为极具前景的高能量密度二次电池。然而,传统的碳酸酯类有机液态电解质闪点低、易泄露,同时与锂金属负极之间还存在复杂的界面副反应,会诱发枝晶的产生,给锂金属电池带来了非常严重的安全隐患。全固态聚合物电解质虽然能够有效提升锂金属电池的安全性能,但是其离子电导率普遍低于10-4 S/cm,导致全固态聚合物锂金属电池只能在较高的温度下工作,很难在室温下进行正常的充放电循环。因此,急需开发一种同时具有高安全和高离子传输性能的电解质材料,来推动锂金属电池的快速发展。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊课题组利用丙烯酸酯化合物的阴离子聚合和自由基聚合反应特性,制备了一种具有温度响应行为的高安全电解液。这种电解液具有高达 2.28×10-3 S cm-1的室温离子电导率,类似聚合物的优异热稳定性,同时还与锂金属表现出良好的兼容性。在室温条件下,这种电解液可以通过锂金属引发而发生阴离子聚合,在负极表面原位形成一层聚合物保护层。这种聚合物保护层有效地改善了电解液与锂金属间的兼容性,促使锂金属保持超长的可逆沉积/剥离(2000小时),并在高电流密度下(10 mA cm−2)实现无枝晶均匀的锂沉积。在加热状态下,这种电解质又可以通过热自由基聚合迅速地从液态转变为固态,从而使该电解液具有类似全固态聚合物电解质的热稳定性(热分解温度高达350℃)。这一快速的热响应行为使锂金属电池即使是在热滥用等极端条件下也不会发生内短路,并有效地将锂金属电池的热失控温度提升至280℃以上。

研究者相信,此项研究不仅会为电解质的界面化学研究打开一扇窗户,也为高安全锂金属电池的开发提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201903441)上。