聚合物固态电解质的设计原理及分子结构表征

  常见的聚合物电解质如聚环氧乙烯（PEO）等受基体结晶度影响存在着室温离子电导率低的问题，难以满足实际应用需求。为了获得具有良好性能的聚合物固态电解质，本文作者选取结晶度低，可加工性能和电化学稳定性良好，且具有生物可降解性能的聚己内酯基聚合物作为电解质基体，通过添加一定量的热稳定性良好的1-丁基-1-甲基吡咯烷二(三氟甲磺酰亚胺)亚胺离子液体（IL）和Al₂O₃纳米陶瓷颗粒对其进行改性，经改性后的聚合物电解质其结晶度明显降低，离子电导率也得到了显著的提升。

图1 聚合物固态电解质的设计及其结构表征

聚合物固态电解质的电化学性能

  经改性后的聚己内酯基聚合物固态电解质除了离子电导率得到提高之外，其他电化学性能如电化学稳定窗口，极限电流密度，锂离子迁移数等均得到一定程度的提升。尤其值得注意的是基于改性后聚合物电解质组装成的锂对称电池展现出超长的循环稳定性，在不同电流密度下可以稳定沉积/剥离超过4500h，表明聚合物物电解质与锂金属之间具有优异的界面稳定性。

图2 聚合物固态电解质的电化学性能和界面稳定性表征

聚合物电解质/锂金属稳定界面保护层组分及其形成机理

  通过在大电流密度条件下对改性前后的聚合物固态电解质对比可以发现，经离子液体改性后的电解质可以获得更稳定且均匀的锂沉积。通过飞行时间二次离子质谱（TOF- SIMS） 和X射线光电子能谱（XPS）对锂对称电池循环后的聚合物电解质/锂金属界面检测可以发现，界面处形成原位富含LiF，Li₂S_x和Li₃N多种物相的稳定SEI膜。这层原位构筑的SEI膜有助于促进锂离子的均匀沉积，有效避免了锂枝晶的产生；同时，这层SEI还能起到保护作用，阻止了锂金属对聚合物之间不良反应的发生。

图3 聚合物固态电解质/锂金属界面层结构演变

  通过高斯计算对聚合物固态电解质中主要组分的分子轨道能级模拟可以发现，聚己内酯聚合物基体的LUMO能级远高于LiTFSI和离子液体（IL），表明LiTFSI和离子液体（IL）会优先于聚己内酯基聚合物基体参与到与Li金属之间的界面反应，二者与锂金属的反应促进了稳定SEI保护层的构建。

图4 原位构筑SEI保护层形成过程的模拟

固态锂金属电化学性能表征

  为了进步考察聚合物固态电解质对固态锂金属电池的电化学稳定性的影响，将改性后的聚合物固态电解质与锂金属负极、LiFePO₄和NCM811正极匹配组装成固态锂金属电池器件。所组装的固态锂金属电池展现出优异的倍率性能及良好的实用性。以LiFePO₄为正极的固态锂金属电池展现出超长的循环寿命，固态锂金属电池在0.5C电流密度经过1600次循环，以及1C大电流密度经过1200次循环后，容量保持率均在80% 以上，展现出优异的循环稳定性。

图5 固态锂金属电池电化学性能表征

  以改性的聚合物固态电解质所组装成的全固态锂金属软包电池与扣式电池展现出一致的循环稳定性。所组装的软电池还展现出良好的柔性，软包电池在弯曲、折叠等极端条件下依然可以稳定运行，在经受裁切、针刺等各种破坏实验后依然可为LED设备稳定供电，保证了锂电池器件的使用安全性。另外，所组装的多层的容量为100mAh以上的软包电池具有稳定的输出电流电压，展现这种聚合物电解质在可实用性固态电池中的巨大潜力。

图6 固态锂金属软包电池电化学性能表征

  本文作者受界面改性思想策略的启发，采用1-丁基-1-甲基吡咯烷二(三氟甲烷磺酰)亚胺离子液体作为改性剂，在聚合物固态电解质与金属锂电极之间原位构筑出了人工SEI保护层，TOF-SIMS和非原位的XPS等表征手段证明了富含LiF、Li₂S_x和Li₃N等多种相组分的稳定SEI膜在界面层处的形成。得益于所构筑的SEI膜的保护作用，基于该聚合物固态电解质所组装的固态锂金属电池展现出超长的循环寿命。本文研究内容为实现具有超长循环寿命的固态金属锂电池的制备提供了一种新的、简单且有效的策略。

  文章链接：

  In Situ Construction a Stable Protective Layer in Polymer Electrolyte for Ultralong Lifespan Solid-State Lithium Metal Batteries

  http://doi.org/10.1002/advs.202104277