基于近单离子传导层次结构聚合物电解质的稳定锂金属电池

背景介绍

锂金属因其低氧化还原电位和高理论比容量而成为新一代高能量密度电池体系的理想负极。然而，循环过程中锂枝晶生长引起的低库伦效率和安全问题大大制约了其实际应用。聚合物电解质具有低可燃性、良好的柔性以及与无机固体电解质相比更好的电极/电解质界面特性，其可控的分子结构设计为抑制锂金属负极枝晶生长提供了可能。然而，目前制备兼具高离子电导率和良好枝晶抑制特性的聚合物电解质材料仍存在重大挑战。

研究出发点

为此，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授课题组在国际著名期刊Angew.Chem.Int.Ed.上以“StableConversionChemistry-BasedLithiumMetalBatteriesEnabledbyHierarchicalMultifunctionalPolymerElectrolyteswithNear-SingleIonConduction”为题，报道了一种新型层次结构聚合物电解质（HMPE），并将其成功应用于锂金属电池。该聚合物电解质由嵌套在聚（3,3-二甲基丙烯酸锂，PDAALi）包覆的玻璃纤维（GF）膜中的（1-[3-（甲基丙烯酰氧基）丙基磺酰基]-1-（三氟甲磺酰基）酰亚胺（LiMTFSI）-季戊四醇四丙烯酸酯（PETEA））基交联凝胶聚合物电解质构成。PDAALi包覆的GF膜为HMPE提供了足够的机械强度，而LiMTFSI-PETEA共聚物网络则使其处于相对安全的准固态而避免了电解液泄漏的风险。该富含单离子导电聚合物的分级结构设计使得HMPE具有高室温离子电导率(2.24×10-3Scm-1)，高锂离子迁移数(0.75)，并可有效抑制锂枝晶生长。采用锂碘电池作为代表性转化机制锂金属电池，以评估该聚合物电解质性能；发现HMPE可通过静电排斥作用有效阻挡中间态锂碘化物的扩散，因此在不使用硝酸锂添加剂的条件下大大提高电池的可逆容量和循环寿命。

首先将3,3-二甲基丙烯酸锂（DDALi）单体于水溶液中在GF膜表面聚合。随后将6wt％LiMTFSI单体，2wt％PETEA交联剂与0.1wt％羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮（HMPP）光引发剂共溶于商用电解液（LE，1M双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LITFSI）-二氧戊环（DOL）:乙二醇二甲醚（DME））中，以形成前驱体溶液；将前驱体溶液注入PDAALi包覆的GF膜中，经紫外（UV）辐射引发LiMTFSI和PETEA分子上C=C双键的原位自由基聚合，从而获得HMPE

总结与展望

本工作中HMPE的基本设计思路和原位制备技术可以扩展到其他基于转化化学机制的碱金属电池体系，例如锂硫电池，锂空电池，锂硒电池，钠硫电池，钠氧电池等，为高性能储能器件的开发开辟了新的途径。

课题组介绍

澳大利亚悉尼科技大学清洁能源技术中心汪国秀教授课题组主要致力于能源材料领域研究，汪教授主持完成二十多项澳大利亚基金委和工业界的项目。迄今为止，汪教授已在Nat.Catalysis,Nat.Commun.,JACS,Angew.Chem.Int.Ed.,Adv.Mater.,NanoLett.,ACSNano等顶级期刊发表文章超过460篇，引用超过31000次，H指数99。2018年入选化学与材料学科全球高被引科学家（WebofScience/ClarivateAnalytics）。担任英国皇家化学会会士（FRSC），国际电化学学会会士（ISEfellow）。