Small:环碳酸酯基聚合物电解质诱导形成聚合物增强SEI层助力高电压4.45 V LiCoO2/Li金属电池

锂离子电池因质量轻、自放电率低、使用寿命长等诸多优点广泛应用于便携式电子产品和电动汽车等领域。随着市场需求的不断推动,锂电池的研究正在朝着更高能量密度的方向发展。由于传统的锂离子电池逐渐逼近其能量密度的上限,因此以理论比容量高(3860 mAh g−1)、电位低(−3.04 V)的锂金属为负极的锂金属电池迎来复兴,成为了研究热点。然而,锂金属电池的实际应用受限于不可控的锂枝晶生长、锂片的粉化以及电解质与锂负极严重的副反应等问题。因此,如何在电解质与锂负极之间构筑稳定的固态电解质界面(SEI)层成为解决锂金属电池所面临问题的关键。

目前报道的稳定SEI层的方法包括在电解液中使用SEI成膜添加剂或者在锂负极表面进行人工涂层等。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首次提出了通过聚合物电解质原位生成的聚合物增强SEI层来解决这一难题,即通过设计低LUMO能级的聚合物基材,使其在电池循环过程中优先于碳酸酯溶剂在锂负极表面发生还原反应,由此构筑聚合物支撑的刚-柔并济SEI层。这种SEI层具有优异的机械性质,可调节锂负极表面锂离子沉积和溶解,抑制锂枝晶的生长,以及调控循环过程中锂负极的体积变化,从而实现电解质与锂金属负极优异的相容性。在该策略的指导下,课题组制备了一种含环状碳酸酯的单体CUMA,并通过原位聚合的方法制备了凝胶聚合物电解质PCUMA-GPE。通过对凝胶电解质与锂负极界面化学的深入研究,团队发现并证实了聚合物基质PCUMA能够优先在锂负极表面发生阴离子开环聚合反应,从而形成交联的聚合物网络。这种交联聚合物网络构筑了高杨氏模量的聚合物增强SEI层,具有抑制锂枝晶生长以及调控锂负极在循环过程中体积变化的功能,在4.45 V锂金属电池中表现出了优异的循环稳定性。

研究者认为,这种通过聚合物基质原位形成聚合物增强SEI层的策略能够有效解决锂金属负极SEI层不稳定等问题,进而提高锂金属电池的循环稳定性和安全性。这一设计策略,将对应用于锂金属电池的高性能聚合物电解质的设计与开发提供一定的理论指导。相关论文在线发表在Small (DOI:10.1002/smll.201907163)上。