AFM: 用于高电压锂金属电池的PEO基聚合物电解质

【引言】

在锂金属电池(LMB)中，用固态电解质代替液态电解液有望提高电池的安全性能和能量密度。因此，寻找适合的固态电解质是LMB迈向实际应用的关键。当前的固体电解质可分为无机（例如，陶瓷，玻璃）和有机（例如，聚合物）两大类。尽管一些无机电解质具有较高的离子电导率，但是其界面阻抗大，通常伴随着动力学方面的问题。固态聚合物电解质与无机材料相比，具有更好的界面润湿性。此外，其制备过程简易，原材料丰富，具有一定的成本优势。但是，它们较差的室温离子电导率使得其必须采用很薄电解质层(更高的电导率)或者在高于60°C的条件下运行。自1970年代以来，基于聚环氧乙烷(PEO)的固态电解质受到了广泛的研究关注，由于其与锂金属负极具有较好界面兼容性，但是当使用高电压电极时，它是不稳定的 ，例如，当使用LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂(NMC622)作为活性材料时。

【成果简介】

近日，德国明斯特大学Johannes Kasnatscheew和Martin Winter（共同通讯作者）通过将线性的PEO集成到机械强度更高的半互穿网络结构中(s-IPN)。s-IPN PEO基固态电解质仍主要由PEO单元组成，可通过提高机械刚度来抑制Li枝晶的渗透，并且在高压正极中实现了稳定的充放电循环。通过简单地增加可塑化的Li盐来获得高度无定形的SPE，这总体上有利于离子导电性和均匀性。该SPE即使在60°C下储存7天后，仍保持良好的机械稳定性和原始形状。即使在40°C的工作温度下， NMC622│SPE│Li电池仍具有良好的电化学性能。相关研究成果“Effective Optimization of High Voltage Solid-State Lithium Batteries by Using Poly(ethylene oxide)-Based Polymer Electrolyte with Semi-Interpenetrating Network”为题发表在Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图一基于s-IPN PEO的SPE的合成示意图

图二基于s-IPN PEO的SPE在高电压下的稳定性

（a）NMC622│SPE│Li电池在60°C下，基于线性PEO和s-IPN PEO的线性SPE（4.3–3.0 V; 30 mA g^-1）的充放电曲线。

（b）基于两种PEO的SPE电池失效示意图。

图三锂盐浓度与离子电导率的关系

（a）在40°C和60°C下，基于s-IPN PEO的SPE的离子电导率与Li盐浓度（EO：Li比）的关系。

（b）s-IPN PEO 基SPE的DSC曲线。

图四SPE的AFM图像

（a）AFM表明，基于s-IPN PEO的SPE的高度偏差仅为15 nm，表面较为平滑。

（b）基于线性PEO的SPE相比，基于s-IPN PEO的SPE的相位信号偏差较小。

图五线性PEO和s-IPN PEO基SPE在60°C下的稳定性测试

（a）存放7天后，两个SPE在纽扣电池中的光学照片。

（b）压缩测试获得的两种SPE的力学性能数据。

图六两种SPE的过充实验。

图七基于s-IPN PEO的SPE在不同分子量的成网剂下NMC622│SPE│Li电池的循环性能

图八NMC622│SPE│Li在40°C下的循环性能

【小结】

当使用高电压电极时，常规线性PEO的SPE在LMB中会不稳定，这是由锂枝晶造成的短路引起的。 将PEO集成到s-IPN中可避免此问题，并在NMC622│SPE│Li电池中实现稳定的充放电循环。基于s-IPN PEO的SPE膜即使在60°C下存储7天后仍保持原始状态，并且具有出色的机械性能。 此外，未观察到SPE对负极稳定性的负面影响，其显示出相对于Li高达4.6 V的高稳定性。优化的SPE即使在40°C的温度下， NMC622│SPE│Li电池具有高放电容量和稳定的循环性能。最后，该研究表面基于PEO的SPE的高压LMB的失效与直觉相反，电化学影响较少，其失效主要由锂金属枝晶的渗透引起的。从这方面去考量，对于SPE设计，不应该忽略其机械性能，还应该关注其均质性能。

文献链接：“Effective Optimization of High Voltage Solid-State Lithium Batteries by Using Poly(ethylene oxide)-Based Polymer Electrolyte with Semi-Interpenetrating Network”(DOI: 10.1002/adfm.202006289)

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