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标签：学科前沿

关键词：离子液体聚合物电解质锂金属电池

随着5G技术和电动汽车的发展，具有高能量密度的锂离子电池得到了广泛关注。提高电池的输出电压可以提高电池的能量密度，因此将高电位阴极与低电位锂阳极配对可以产生具有高比能量的高级锂金属电池(LMB)。然而，传统的液体电解质在高压操作时通常会在阴极发生氧化分解，且高反应性的Li也可能与电解质组分发生反应，导致不受控制的枝晶逸出。此外，液体电解质的使用也会不可避免地引起泄漏、燃烧和气体产生等安全问题。因此，使用固态电解质代替液体电解质对于克服LMB的缺点具有重要意义。

固态电解质具有良好的电化学耐久性、良好的机械强度和热稳定性，其中最受关注的当属固体聚合物电解质(SPE)。常使用的聚合物电解质基体材料为聚丙烯腈(PAN)，它具有良好的热稳定性、宽电化学窗口和较低的成本等优点，而且其是一种抗氧化聚合物。然而，PAN也面临与Li反应等困扰。

基于此，西安建筑科技大学的袁艳研究团队开发了一种在高电位阴极和锂金属下都稳定的双层固体电解质(DLSE)，这种材料以和PAN制备的上层膜为PAN层，以离子液体N-甲基丁基吡咯烷双(三氟甲磺酰基)亚胺()、聚偏氟乙烯(PVDF)、和Li6..4Ta0.6O12(LLZTO)制备的下层膜为PPL层，所得到的DLSE不仅具有高离子电导率，且能提供弹性界面以降低界面阻抗，削弱了固体电解质膜的机械强度。

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图1. DLSE的制备过程

（图片来源：ACS Appl. Mater. ）

利用扫描电镜对所制备的SPE表面形貌进行观察，可以看出自立式PAN膜呈现致密且光滑的形态，膜的厚度约为35 μm，而PPL膜具有稀疏的孔隙的致密框架。XRD表征结果也表明，PPL中离子液体和PVDF之间的相互作用明显降低了聚合物基体的结晶度。EDS映射揭示了LLZTO在PPL中均匀分布，未出现聚集。

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图2. PAN和PPL膜的表征

（图片来源：ACS Appl. Mater. ）

随后，研究人员对各种膜的电化学性质进行了表征。通过EIS表征发现，PPL的室温离子电导率达到3.2×10-4 S cm-1，明显优于其他电解质，这主要归因于掺入、LLZTO的聚合物基底的结晶度降低。通过比较各种SPE的电化学窗口，发现PPL在约4.5 V（相对于Li/Li）时开始分解，而PAN在高达5.0 V时仍然稳定存在，这可能是由所使用的离子液体和无机填料导致的。此外，与PAN相比，PPL表现出更高的拉伸性能，断裂伸长率高达47%。因此，引入的PPL层提供了坚固的结构支撑，以抵消PAN机械强度的缺陷。通过对称Li|Li电池的镀锂/剥离循环测试研究发现，SPE对Li金属的界面具有较高的稳定性。

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图3. SPEs的电化学性能及循环性能

（图片来源：ACS Appl. Mater. ）

最后，研究人员将DLSE组装成电池以研究其实际应用价值。结果发现，具有单层PAN或单层PPL的电池在约40个周期后都会经历快速容量衰减的过程，而使用DLSE的电池在循环过程中表现出色的室温循环性能，在200次循环后，保留容量达到129.5 mAh g-1，且库伦效率接近100%。此外，研究人员还利用XPS分析了不同SPEs引起的界面化学差异。

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图4. DLSE组装电池的性能及XPS表面研究

（图片来源：ACS Appl. Mater. ）

综上，本研究提出了一种掺入离子液体/PVDF/LLZTO复合电解质作为PAN基SPE为Li阳极之间的夹层，所得到的DLSE具有高离子电导率、宽电化学窗口和较好的机械强度，极大地稳定了Li表面并限制了枝晶的生长。本研究揭示了DLSE在固态LMBs中的巨大的应用潜力。

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