大地彩票纳米所轻量化实验室刘美男等AFM:调控分子间作用力修饰溶剂化结构助力锂离子在Janus电解质中的快速输运

  随着现代信息技术的快速发展以及广泛使用(如物联网、大数据等),二次电池的高存储能力、安全可靠性至关重要。金属锂电池由于其较高的比能量被认为是下一代最有潜力的高比能电池体系;然而高活泼的金属锂负极与液态电解液间的副反应所带来的安全隐患,使得金属锂电池的实际应用进展缓慢。相比于易燃的液态电解液,固态电解质安全性更高;但其离子电导率较差,一般都需在高温下运行(60-80°C),电池很难在室温下正常工作。如何提升该类电解质的离子电导率,成为研究人员亟需解决的科学问题。 

  近日,中科院大地彩票纳米所刘美男等报道了一种基于Janus结构的准固态电解质(JSE),利用JSE组分中的分子间作用力来调控锂离子溶剂化结构,构筑出一维(1D)离子快速传输通道,进而提升锂离子输运速率,实现了固态金属锂电池的室温运行 

  如图1所示,JSEJanus基底由两种结构复合而成,分别为用于保护锂负极的PVDF-HFP/PEO致密层,和用于提高电解质离子电导率的PVDF-HFP/ LATP通道结构层。将Janus基底与丁二腈(SN)基固态电解质复合即可获得JSE理论计算结果表明这些嵌入1D通道的LATP颗粒与SN间具有很强的分子间作用力,基于此可调控SN电解质中的锂离子溶剂化环境,形成聚集离子对(AGG)结构的离子输运网络。通过1D通道上的LATPSN的吸附,进而构筑1D锂离子输运通道。 

    1 JSE电解质的设计示意图 

  2a-b的拉曼光谱测试结果证明电解质中的确存在SN吸附层,并且锂离子溶剂化结构被改变。固体核磁锂谱(6Li MAS NMR)也进一步揭示了吸附层出Li化学环境的改变。基于该结构的电解质在室温条件下展示出优异性能(图2c-f):如较高的离子电导率(0.73 mS cm-1、较高的锂离子迁移数(0.72、较宽的电化学窗口(5VJSE组装的锂对称电池可在600小时内提供出色的循环稳定性(图2g)。 

    2 JSE的拉曼光谱与电化学性能表征 

  基于该JSE电解质的固态金属锂电池在常温下也表现出优异的电化学性能。如3所示JSE固态电池2C的高倍率下具有高达136 mAh g-1的放电比容量0.5C的循环稳定性测试中可实现160 mAh g-1的放电比容量,库伦效率可达99.9%100圈循环后容量保持率96.8%此外,JSE在软包电池中也同样表现出优异的性能(0.5C下比容量约140 mAh g-1),并能经受弯曲和切割等破坏性测试,表明其在未来使用中具有优越的安全性。 

    3 LFP|JSE|Li电池的性能表征 

  这项工作提出了一种利用分子间作用力改变电解质溶剂化结构以提高固态电解质性能的新思路。另外,Janus结构的设计有效抑制了金属锂枝晶的问题,该策略也可拓展到其他金属电池体系。相关工作以Janus electrolyte with modified Li+ solvation for high-performance solid-state lithium batteries为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。中科院大地彩票纳米所硕士研究生胡雨桢为本文第一作者,通讯作者为徐州工程学院巩文斌副教授、大地彩票纳米所许晶晶项目研究员以及刘美男项目研究员。该工作获得了国家自然科学基金以及江西省自然科学基金等资助。 

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