Small Methods:准离子液体助力聚偏氟乙烯基单一相致密聚合物电解质

商业锂离子电池采用有机液体电解质存在一定的安全风险,且能量密度有待进一步提升。基于固体电解质的固态电池有望使用金属锂作为负极,可提高电池的能量密度。聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物电解质是最具前景的电解质材料之一,具有吸电子能力较强的F原子以及较高的介电系数(~8),但是由于其较高的结晶度,在不加入增塑剂的情况下,对锂盐表现出较差的解离能力,室温离子电导率较低。在含有一定量的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为助剂时,PVDF基聚合物电解质展示出较高的室温离子电导率(~10−4 S cm-1)以及高氧化电位(>4.5 V)。但是,在DMF/PVDF基聚合物电解质的制备过程中,DMF的逐渐挥发通常导致PVDF基聚合物发生相分离,产生空隙,且难以准确控制电解质中DMF的含量。

基于以上问题,中科院宁波材料所姚霞银课题组等人采用了bottom-to-up的设计策略,利用DMF与Li+之间的强络合作用,制备了准离子液体[Li(DMF)3][TFSI];再用易于挥发的THF作为溶剂将准离子液体[Li(DMF)3][TFSI]与PVDF-HFP混合,抑制了聚合物的相分离,且能够较为准确控制电解质中DMF的含量,得到了单一相致密的聚合物电解质。在[Li(DMF)3][TFSI]含量为70 wt%时,PVDF-HFP聚合物电解质展示出单一相致密的特征,具有1.55×10-3 S cm-1的高离子电导率、3.4 MPa的拉伸强度、~1550%的断裂伸长率、43 MJ cm-3的韧性以及较好的热稳定性与阻燃性质。对于相分离多孔聚合物电解质,其相分离的存在导致了锂金属沉积面上锂离子浓度不均匀,从而造成了锂金属的不均匀沉积与锂枝晶生成(图1左);而对于单一相致密的聚合物电解质,其具有较为均匀的锂离子浓度,促进了锂金属的均匀与致密沉积(图1右)。室温下,相应的Li||Li电池可稳定循环3000 h,Li||Cu电池的库伦效率趋于~98%。对于Li||LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2电池,经过500次循环,放电容量保持率为96%。

图1 相分离多孔聚合物电解质与单一相致密聚合物电解质的锂沉积对比示意图。

论文信息:

Quasi-Ionic Liquid Enabling Single-Phase Poly(vinylidene fluoride)-Based Polymer Electrolytes for Solid-State LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2||Li Batteries with Rigid-Flexible Coupling Interphase

Fanglin Xu, Shungui Deng, Qingya Guo, Dong Zhou, Xiayin Yao*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100262

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smtd.202100262