华中大韩建涛/方淳团队《ACS AMI》：原位电化学聚合法构建耐高压正极界面缓冲层助力高比能全固态电池

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研究背景

传统锂离子电池一般采用有机电解液作为电解质，但存在易燃问题，用于大容量存储时有较大的安全隐患。相比之下，全固态锂电池采用了具有阻燃特性的固态电解质，具有更高的能量和功率密度、更好的安全性等优点，被认为是下一代关键储能技术之一。聚环氧乙烷（PEO）基聚合物固态电解质凭借其优异的柔韧性以及成膜性，成为目前已经实现商业化的固态聚合物电解质体系。然而，由于醚类电解质的抗氧化性差，PEO基电解质在与高压正极材料（> 4 V vs Li/Li⁺），如高镍三元正极材料等配合使用时，面临着界面副反应等问题，这限制了高比能全固态安全电池的发展。 

文章简介

近日，华中科技大学材料科学与工程学院韩建涛/方淳团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“Engineering a High-Voltage Durable Cathode/Electrolyte Interface for All-Solid-State Lithium Metal Batteries via In Situ Electropolymerization” 的文章（DOI: 10.1021/acsami.2c02731）。华中科技大学博士研究生李琪为论文第一作者。
研究人员将甲基丙烯酸三氟乙酯（TFEMA）液态单体修饰在PEO基聚合物电解质的正极一侧，在电池组装完成后，通过原位电化学引发聚合的方式，在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）正极材料与PEO基聚合物电解质之间构建了一层具有耐高压特性的聚甲基丙烯酸三氟乙酯（PTFEMA）界面缓冲层。
缓冲层的引入有效黏结了固-固界面，降低了界面阻抗，离子电导率在室温及60 °C 条件下分别提高到 1.02 × 10^-4 S cm^-1 和 4.72 × 10^-4 S cm^-1，电化学窗口从 4.3 V 拓宽至 5.1 V。有效减少了副反应，提高了循环稳定性。最后在锂金属固态电池中表现出提高的循环稳定性和倍率性能。通过原位电化学聚合法制备界面缓冲层的工艺，为提升高压正极与醚基电解质界面稳定性提供了一种简便且具有普适性的方案。 

要点

（1） 设计了一种原位电化学引发聚合的界面修饰手段，少量的液态单体在电化学过程中形成了含氟的界面层，其耐高压特性有效抑制了PEO基电解质与NCM811正极界面处的副反应。
（2） 缓冲层的建立有效地降低了界面电阻，提高了醚基电解质的抗氧化能力。室温下的离子电导率提升至1.02 × 10^-4 S cm^-1，电化学窗口被拓宽至5.1V，建立了PTFEMA缓冲层的NCM811/Li电池在4.3V工作时显示出了提高的循环稳定性。
（3） 通过对循环后电池的正极材料结构进行表征，缓冲层对正极材料结构的保护能力得到验证。
（4） 原位电化学聚合法与现有锂离子电池的商业生产装置具有良好兼容性，为高比能全固态安全电池设计提供了一条创新途径。 
图1 原位电化学聚合过程示意图 
图2 （a）NCM811|PEO|Li 和 NCM811|PTFEMA-PEO|Li 电池在 0.1C 和 60°C 下的充电/放电曲线； (b) 倍率和 (c) 循环性能。(d) NCM811|TFEMA-PEO|Li 和 (e) NCM811|PTFEMA-PEO|Li 的 EIS 曲线  图3 (a) 建立 PTFEMA 缓冲层的软包电池，在 (b) 折叠、(c) 钉刺和 (d) 剪切测试下保持正常工作状态 原文链接https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c02731

作者简介

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韩建涛 教授

华中科技大学材料学院教授、博士生导师，致力于低成本、长寿命储能电池研究，师从于著名锂电池科学家德州大学奥斯汀分校 Goodenough 教授，从事高比能锂离子电池正极材料研究；在美国Los Alamos国家实验室期间从事新型锂离子电池固态电解质研究；在美国Pellion科技公司从事高能量密度镁离子电池研究；2014年回国，围绕当前储能领域重大需求及技术断裂点，参与完成国家级科研项目4项，在研、参与科技部863重点项目1项，在研参与国家重点研发计划1项，申请美国发明专利1项，申请中国发明专利20余项，国际著名学术期刊上发表学术论文60余篇，其中包括J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，ACS NANO, Chem. Mater.，等国际刊物，担任ACS、Wiley、RSC、Springer等20余种SCI期刊审稿及仲裁审稿人。

方淳 副教授

华中科技大学，副教授，主要从事高比能锂离子电池、快充锂离子电池、超低温电池、新型功能电解液、全固态电池等新能源热门领域的研究，在水系钠离子电池产业化方面有丰富的经验，主持和参与多项国家自然科学基金项目，参与国家重点研发计划1项，，在国际著名学术期刊上发表学术论二十余篇，其中包括Chem， Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy. Mater.等顶级国际刊物。

课题组网站：http://li-battery.mat.hust.edu.cn/

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