黄云辉ACS Nano：高浓度准固态电解质助力超长循环锂金属电池

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-26 08:18

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锂金属电池与富镍 LiNi _x Co _y Mn _1–x–y O ₂ (x ＞ 0.7) 正极相结合，有望突破锂离子电池当前的能量密度极限。然而，含有游离活性溶剂的常规电解质非常容易分解，特别是在锂负极和高压正极的界面处。

在此， 华中科技大学黄云辉、许恒辉、武汉科技大学李卓团队 开发了一种复合准固体电解质（CQSE）。具体而言，作者利用硫酸化Al ₂ O ₃ （S- Al ₂ O ₃ ）桥联醋酸纤维素（CTA）来稳定电解质/电极界面。其中，S- Al ₂ O ₃ 与CTA的配位形成S- Al ₂ O ₃ 桥接的CTA分子链网络，增强了CQSE的机械强度并固定游离溶剂分子。

基于此，CQSE 在室温下表现出高达 7.4 MPa 的增强拉伸强度和 1.8 × 10 ^–3 S cm ^–1 的高离子电导率。CQSE不仅抑制电极-电解质副反应，而且还能够形成富含无机物的正极/固体电解质界面。Li|CQSE|LiNi _0.83 Co _0.11 Mn _0.06 O ₂ (NCM83) 电池在 1 C 下循环 1000 次后仍保留 84% 的容量，而软包电池在 0.5 C 下循环 250 次后仍保留 80% 的容量。

图1. CQSE的设计原则

总之，该工作通过将S- Al ₂ O ₃ 颗粒掺入CTA-TEP聚合物电解质中，合成了S- Al ₂ O ₃ 桥联的CTA基CQSE。

研究显示，S- Al ₂ O ₃ 颗粒的掺入促进了Li ⁺ 的解离和阴离子主导的溶剂化结构的形成。其中离子对和聚集体占主导地位，从而形成稳定的阴离子衍生的SEI/CEI层。此外，由S- Al ₂ O ₃ 桥接的CTA分子链的相互作用增强了CQSE的机械强度并抑制了电极-电解质副反应。

基于此，CQSE 在室温下表现出高达 7.4 MPa 的显着拉伸强度和 1.8 × 10 ^–3 S cm ^–1 的高离子电导率。当其与 LMA 和 NCM83 正极配合使用时，CQSE 表现出良好的循环稳定性，在 1 C 下循环 1000 次后仍保持 84% 的容量。因此，该工作所开发的 CQSE 在构建具有增强安全性的环保电池中具有良好的应用潜力。