中科院纳米能源所蒲雄研究员课题组《ACS AMI》：自修复聚合物电解质助力实现室温固态锂金属电池

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近日，中科院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员课题组提出了一种高性能室温固态聚合物电解质，相关成果在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“Self-Healing Solid Polymer Electrolyte for Room-Temperature Solid-State Lithium Metal Batteries”的文章。

锂金属电池（LMBs）因其高理论能量密度高和锂金属负极的低氧化还原电位而受到广泛关注，然而，传统的LMBs因使用可燃易泄露的液态有机电解质而存在诸多安全问题。此外，长期充放电循环会形成大量的锂金属枝晶，导致电池短路甚至爆炸，故开发新一代的固态电解质对提高锂金属电池的安全性和稳定性具有重大意义。相较于脆性的无机固态电解质，聚合物固态电解质（SPEs）具有良好的柔韧性和加工性能，受到了科学家的广泛关注。

聚氧化乙烯基（PEO-based）是固态聚合物最常用的体系之一，但其室温离子电导率和电化学稳定窗口有待提高，难以满足商业化电池的需求。

针对上述问题，蒲雄研究员课题组设计了一种基于动态亚胺键交联的PEO基自愈合聚合物固态电解质（SHSPE）。其具有高的室温离子电导率（7.48×10^-4 S cm^-1）、良好的力学性能（断裂应变 > 500%，断裂强度138 kPa）、透明（透光率92%）、5.0 V的宽电化学窗口、且能够在室温下自愈合。组装的Li | LiFePO₄电池27℃下稳定循环超过300圈。

图 1. SHSPE 的制备和表征。  (a) SHSPE的化学前驱体和合成流程。  (b) SHSPE的光学照片。  (c) 基于动态亚胺键的 SHSPE 超分子结构和自修复机制。 (d) FTIR 光谱、(e) XRD 和 (f) SHSPE 和 H₂N-PEG-NH₂ 的 DSC。

图 2. 离子传导和机械性能。 (a) 原始SHSPE和自愈合后的 SHSPE离子电导率和线性拟合。 (b) 室温下原始 SHSPE 和自愈合后的 SHSPE 的 LSV 曲线。 (c) SHSPE和愈合前后的 SHSPE 样品的拉伸应力-应变曲线。SHSPE 的光学照片(d) i, ii) 切割，在(iii)RT下愈合 24 小时，不同的应变 (iv, v, vi)的拉伸。

图 3. Li|Li 对称电池在室温下的性能。(a) 极化电位为 10 mV 的对称 Li|SHSPE|Li 电池的计时电流曲线。插图为室温下极化前后的交流阻抗谱。  (b) 对称电池在 0.05、0.1 和 0.2 mA cm^-2 的电流密度下SHSPE的倍率性能。(c) 0.1 mA cm^-2的恒定电流密度下，不同循环圈数下 Li|SHSPE|Li 的EIS曲线。(d) 0.1 mA cm^-2电流密度下对称电池的剥离/电镀循环。 (e)传统SPE和SHSPE与锂金属接触的图示。

图 4. Li|SHSPE|LiFePO₄ 电池的电化学性能。  (a) Li|SHSPE|LiFePO₄ 电池在 27 °C 下的倍率性能。 (b) Li|SHSPE|LiFePO₄ 电池在 0.1C、0.2C 和 0.5C 下的第一次循环充放电曲线，电压范围为 2.5-3.8 V。(c) Li的长期循环性能 |SHSPE|LiFePO₄ 电池在 0.1C。(d) SHSPE 与文献中报道的其他自愈SPE组装的LMBs的工作温度、初始容量和循环次数的比较。

图 5. Li|SHSPE|LiFePO₄ 软包电池的应用和安全性评估。  (a) Li|SHSPE|LiFePO₄软包电池的结构示意图。  (b) 柔性 Li|SHSPE|LiFePO₄软包电池为商用电子手表供电。 Li|SHSPE| LiFePO₄软包电池在不同状态下点亮 10 个LED：（c）regular，（d）弯曲和（e）cutting。

蒲雄老师课题组相关文献：

Pu, X.; Liu, M.; Chen, X.; Sun, J.; Du, C.; Zhang, Y.; Hu, W.;* Wang, Z.L.* Ultrastretchable and transparent triboelectric nanogenerator as electronic skin for biomechnical energy harvesting and teactile sensing. Science Advances 2017, 3, e1700015.

Sun, J.; Pu, X.*; Liu, M.; Yu, A.; Du, C.; Zhai, J.; Hu, W.*; Wang, Z. L.*, Self-Healable, Stretchable, Transparent Triboelectric Nanogenerators as Soft Power Sources. ACS Nano 2018, 12, 6, 6147-6155.

Zhang, P.; Guo, W.;  Guo, Z. H.; Ma, Y.;  Gao, L.; Cong, Z.; Zhao, X. J.; Qiao, L.;  Pu, X.*; Wang, Z. L.*, Dynamically crosslinked dry ion-conducting elastomers for soft iontronics. Advanced Materials 2021

Meng, J.; Guo, Z. H.; Pan, C.; Wang, L.; Chang, C.; Li, L.; Pu, X.*; Wang, Z. L.*, Flexible Textile Direct-Current Generator Based on the Tribovoltaic Effect at Dynamic Metal-Semiconducting Polymer Interfaces. ACS Energy Letters 2021

相关链接

https://doi.org/10.1021/acsami.1c14462

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