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Angew. Chem. :聚合物电解质溶剂化结构调控,助力高电压锂金属电池2024-10-11
聚合物固态电解质具有高安全性、易加工等优点,被认为是下一代高能量密度锂金属电池中的理想电解质材料。然而,传统聚醚类聚合物电解质低的室温锂离子迁移数和窄的电化学窗口限制了它们的实际应用,这些性能与聚合物电解质中的溶剂化结构密切相关。在聚醚体系中,Li+-O相互作用过强导致Li+很难迁移,同时阴离子从溶剂化结构中被排出,导致聚合物主链容易氧化,形成富有机界面层,对高压阴极电化学稳定性较差。

相比之下,聚碳酸酯和聚酯电解质具有更高的氧化稳定性。在这类电解质中,羰基或酯基与Li+的配位较弱,因此,更多的阴离子可以进入内溶剂化层,形成富含无机物的界面层,具有较高的电化学稳定性。然而,刚性的聚合物骨架又可能限制Li+的传输。

近日,清华大学王朝副教授和西南交通大学陈滔助理教授合作,设计了一种含有强Li+-醚氧作用、弱Li+-酯基氧作用和空间位阻基团的聚合物固态电解质,通过离子-偶极作用的调控构筑了富阴离子溶剂化结构的聚合物固态电解质用于高电压锂金属电池。

 

 

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在聚醚类电解质基础上引入酯基后,电解质与Li+的相互作用降低,Li+迁移数提高,引入空间位阻效应后,电解质与Li+的相互作用进一步减弱,同时与阴离子的相互作用增强。通过结构优化,最终获得的聚合物电解质兼具高室温锂离子迁移数(0.8)和宽电化学窗口(5.5 V vs Li/Li+),用其组装的Li||LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2扣式全电池和软包电池在中高活性物质面负载量(~7.5 mg cm-2)时可以在4.3 V和4.5 V的截止电压下稳定循环。

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这项工作表明,通过调控聚合物固态电解质中的离子-偶极相互作用可以有效改善离子传输性能和界面稳定性,为设计用于高能量密度金属锂电池的聚合物固态电解质提供了新的视角。

文信息

Regulating the Solvation Structure in Polymer Electrolytes for High-Voltage Lithium Metal Batteries

Yuncong Liu, Zhekai Jin, Zeyu Liu, Hao Xu, Furong Sun, Xue-Qiang Zhang, Tao Chen, and Chao Wang

文章的第一作者是清华大学博士研究生刘韫聪

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202405802

 

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