天津大学封伟教授课题组: 磺酰亚胺基锂单离子交替聚合物电解质用于高性能锂离子电池

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锂离子电池由于轻质和高的能量密度被广泛认为有望应用于便携式电子设备和混合动力/电动汽车新型的能源存储设备。其中，电解质在电池性能和调节电池使用寿命中扮演着至关重要的角色。近年来，高充放电倍率下的高电压电极材料被认为是下一代锂离子电池技术的基本组成部分，因此对锂离子电池的安全预防措施提出了更高要求。而传统有机电解液由于易引起火灾和爆炸等安全问题已经不再满足下一代锂离子电池的要求。

聚合物电解质由于具有不挥发性、阻燃性和安全性等优点和其循环过程中宽的电压窗口、良好的热稳定性以及和电极之间良好的相容性而受到广泛的关注。目前，传统的聚合物电解质是双离子导体，即其中的锂离子和对应的阴离子都是载流子。然而，这种双离子导体的聚合物电解质在充放电循环中，阴离子的迁移速率要比锂离子的迁移速率快5到10倍，导致锂离子迁移数很低（tLi+ < 0.3）。由于阴离子并不参与电极之间的反应，因此低的锂离子迁移数会引起电池内部的浓差极化从而导致电池能量的衰减和循环性能。因此，如何限制聚合物电解质中的阴离子迁移是解决这一问题的关键。

通过特定的方式将阴离子固定到高分子链上是限制阴离子的迁移的一种有效的途径。近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授课题组通过乙烯基双苯磺酰亚胺锂（SSPSILi）和马来酸酐（MA）之间的自由基共聚合方式制备了一种新型的交替结构的锂单离子聚合物锂盐（P(SSPSILi-alt-MA)）。研究表明，基于该聚合物锂盐的凝胶态电解质薄膜表现出了优异的离子电导率（σLi+ = 2.67 mS cm-1）和锂离子迁移数（tLi+ = 0.98）。这是由于高介电常数的MA和SSPSILi的交替排列既促进了锂离子更加有效的解离出来又使得解离后的“自由”锂离子在分子层面上达到了均匀分布的状态，从而大大提高了锂离子的迁移数和离子电导率。另外，该锂单离子聚合物电解质薄膜还表现出了优于传统商用PP隔膜的力学性能和热稳定性。该锂单离子聚合物凝胶电解质与磷酸铁锂（LiFePO4）正极和钛酸锂负极（Li4Ti5O12）组装成的全电池相对于传统的液态电解液展现出了更加优异的循环稳定性和倍率性能，有望应用于新一代锂离子电池。

图1. P(SSPSILi-alt-MA)合成路线图及其电解质薄膜制备示意图

图2. 不同P(SSPSILi-alt-MA)含量的凝胶态电解质薄膜的室温电导率随时间的变化（右上为室温下不同P(SSPSILi-alt-MA)含量的电解质薄膜的室温电导率）

图3. a) 配有20% P(SSPSILi-alt-MA)含量的电解质薄膜的锂全电池第一圈充放电曲线；配有20% P(SSPSILi-alt-MA)含量的电解质薄膜和有机液态电解质/商用隔膜的锂全电池b) 倍率性能对比；c) Ragone曲线对比；d) 0.5C下循环性能对比。

相关研究成果近期已发表在Journal of Materials Chemistry A杂志上（DOI：10.1039/c7ta05787c），第一作者为曹晨博士。

论文链接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ta/c7ta05787c

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