传统有机电解质向未来锂金属电池的升级:一种分层纳米SiO2负载的凝胶聚合物电解质

开发安全、高能量密度的锂金属电池(LMB)被认为是下一代充电电池的重点。然而，必须克服锂与液体电解质的必然反应以及随后锂枝晶的形成，而升级传统液体电解质是实现这一目标的关键策略。在这里，我们报道了一种纳米SiO₂负载的凝胶聚合物电解质(SiO₂- GPE)，它是通过在功能修饰的SiO₂层上支撑传统有机液体电解质的原位凝胶制备的，具有高的离子电导率(1.98 ×10⁻³ S cm⁻¹)和宽的电化学窗口(>4)。LiFePO₄/SiO₂-GPE/Li电池在1℃下表现出125.5 mAh g⁻¹的高容量，700次循环后容量保留率为88.42%。优越的电化学性能主要是由于电极/电解质界面高度兼容，以及该SiO₂-GPE膜的协同效应对Li枝晶生长的有效抑制。

在过去的几十年里，锂离子电池(LiB)已广泛应用于便携式电子产品和电动汽车。随着市场需求的不断增长，目前的LiB已经难以满足未来电动汽车不断增长的能源和动力需求。探索高容量电极材料被认为是提高能量密度的有效策略。在阳极方面，锂金属被认为是替代商用石墨阳极的有前途的候选材料，因为它具有更高的理论容量(约3860 mAh g⁻¹)和较低的还原电位(与标准氢电极相比- 3.040 V)。因此，以锂为阳极的锂金属电池(LMB)可以潜在地实现更高的电压和更高的能量密度。然而，常见的有机电解质在循环过程中不可避免地与锂发生反应，产生Li枝晶。在实际应用中，这些不受控制的Li枝晶和粉化会导致库仑效率大幅降低，存在很大的安全隐患。因此，已经报道了几种电解质类型，包括无机固体电解质(ISEs)、固体聚合物电解质(SPEs)和凝胶聚合物电解质(GPEs)，着重于抑制锂枝晶、提高离子导电性和增加锂/电解质界面相容性。就实用性而言，建议升级商用电解质。六氟磷酸锂(LiPF₆)已被证明可以将1,3-二恶烷(DOL)和1,2-二甲氧基乙烷(DME)等液体电解质转化为准固体GPEs。还报道了通过液体前驱体原位聚合形成的SPE，使液体具有良好的润湿性和低粘度，克服了传统SPE的局限性。SiO₂纳米颗粒作为陶瓷填料被广泛应用于SPE中，以改善其力学性能，同时保证更好的热稳定性。经DOL阳离子开环聚合后的SiO₂纳米颗粒与凝胶电解质具有较好的亲和力;较薄的SiO₂涂层可以降低电极/电解质的界面电阻。在此，我们设计了一种以功能改性SiO₂为支撑作用的SiO₂-GPE分层结构来阻碍Li枝晶生长。SiO₂-GPE在室温下的离子电导率显著提高(1.98 × 10⁻³ S cm⁻¹)。

图1. SiO₂-GPE的制备工艺及其性能研究。(a) SiO₂-GPE的合成工艺示意图。(b) IPTS改性前后纳米SiO₂和DOL改性后纳米SiO₂的FTIR光谱。(c) 聚合后TPGDA和SiO₂-GPE的FTIR光谱。(d) 液体电解质(1 M LiPF₆-EC/EMC/DMC)和(e) 凝胶电解质(5 wt % TPGDA在1 M LiPF₆ -EC/EMC/DMC中聚合)的光学照片。

图2. SiO₂-GPE的电化学表征。(a) 传统液体电解质/分离体系、凝胶聚合物电解质、SiO₂-GPE的TGA曲线。(b) 传统液体电解质/分离器的Arrhenius图和(c) 线性扫描伏安图;传统体电解质被SiO₂层吸收;SiO₂-GPE与10 wt % TPGDA。(d) SiO₂-GPE的循环伏安图。(e) Li/SiO₂-GPE/Li和(f) Li/1 M LiPF₆-EC/EMC/DMC/Li电池在施加10 mV小电压后的电流-时间分布。插图:对应的奈奎斯特阻抗谱。

图3. 对称锂/锂电池电化学稳定性分析及锂负极界面分析。Li/SiO₂-GPE/Li(红色曲线)和Li/ 1 M LiPF₆-EC/EMC/DMC/Li(黑色曲线)对称电池在室温下(a) 0.1 mA cm⁻²和(b) 1 mA cm⁻²的电压分布。插图:放大的电压剖面在两个连续的时间段。长期循环后的锂阳极表面形貌:(c) 原始的锂金属和(d) 以LiPF₆-EC/EMC/DMC为电解液，循环100次后从电池中收获的锂电极。(e) 使用液体电解质的循环锂阳极的EDX分析。(f) 用SiO₂-GPE循环100次后从电池中收集的锂电极的扫描电镜图像。(g和h) 以SiO₂-GPE为电解液的循环锂阳极的EDX分析。

图4. SiO₂-GPE-GPE基电池的电化学表征。(a) LFP/SiO₂-GPE/Li电池在不同充放电状态下的阻抗谱。(b) 0时LFP/1M LiPF₆-EC/EMC/DMC/Li电池和LFP/SiO₂-GPE/Li电池的初始充放电曲线。(c) LFP/SiO₂-GPE/Li电池的速率性能。(d) LFP/ 1M LiPF₆-EC/EMC/DMC/Li电池和LFP/SiO₂-GPE/Li电池的循环性能和库仑效率随循环次数的变化。

文献来源：Upgrading Traditional Organic Electrolytes toward Future Lithium Metal Batteries: A Hierarchical Nano-SiO₂‑Supported Gel Polymer Electrolyte. DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00412.

本期投稿：GZX

本期编辑：ZBW

版权所属，转载请注明。

意深才浅，拙著多有不足;

不妨留步，说说您的看法。