中科院化学所郭玉国AEM：功能性聚合物用于缓解正极与固体电解质界面问题研究

固体电解质可以从根本上解决锂离子电池的安全性问题，具有广阔的应用前景。但固态电池中正极-电解质的界面问题却影响着电池性能的发挥。正极-电解质的界面问题主要包括两个方面：一方面是固体正极-电解质界面之间物理接触不良。几次循环后，正极材料发生体积膨胀/收缩，电极甚至会失去与固体电解质的接触并导致分层。这些不均匀的接触点带来不均匀的局部电场对于固态电池的电化学性能是不利的。另一方面的问题是电极材料和电解质界面之间存在副反应，尤其在测试过程中升高电压或温度时，副反应过程会更加显著。除此之外，通常使用的高镍正极材料可能扮演催化剂的角色，以催化固体电解质的一些化学反应并引起固体电解质的分解。因此，解决正极-电解质的界面问题成为了固态电池性能发挥的关键。

近期中科院化学所郭玉国研究员课题组与王春儒研究员课题组报道了一种聚（丙烯腈-丁二烯）共聚合物作为LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2正极材料的包覆层，用于解决固态电池中正极材料与固体电解质之间的界面问题。该文章以Amelioratingthe Interfacial Problems of Cathode and Solid‐State Electrolytes by InterfaceModification of Functional Polymers为题发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上，王丽萍为第一作者、石吉磊为共同通讯作者。聚（丙烯腈-丁二烯）共聚合物纳米包覆层（PAB）具有双重功能，如图1所示：1）柔性有机包覆层可以改善循环过程中正极和固体电解质之间的物理接触。2）紧密的纳米包覆层可以抑制正极/电解质界面处的副反应和相互扩散。将制备的纯NCM材料和PAB包覆后的NCM材料（NCM@PAB）进行表征，通过TEM和HRTEM表征可以证明PAB层均匀沉积在NCM颗粒表面上且厚度小于10nm。XRD结果证明了正极材料晶体结构没有受到聚合物层的影响，通过红外光谱和电子探针等手段也都可以检测到包覆层的存在。将包覆前后的正极材料与锂金属负极和聚（醚-丙烯酸酯）固体电解质结合组成固态电池，以测试其电化学性能。通过变速CV测试比较发现，包覆有机纳米层后，锂离子表观迁移系数扩可增加30％左右。通过dQ/dV曲线对比发现，包覆层PAB可以帮助有效的降低电压极化并保持。包覆后的NCM@PAB正极材料显示出良好的电化学性能，其在5C倍率下比容量保持率大大高于未包覆的纯NCM622正极材料，且循环400圈后仍可保持75%的比容量。所有这些性能的改进都可以归因于PAB包覆层的作用。