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双锂盐体系凝胶聚合物电解质

【引言

锂金属电池(LMB)由于其高能量密度(3860mAh/g),低密度(0.534g/cm^3)和低的还原电位(-0.34 V)等优势而具有广阔的应用前景。但是,液体电解质的泄露,燃烧爆炸等安全问题以及锂枝晶的生长严重得限制了锂金属电池的实际应用。固态或凝胶态电解质在保证电池安全性能的同时可有效地抑制锂枝晶的生长,提高电池的循环寿命,因此成为近些年研究的热点。但是,低的室温电导率以及电解质与电极的界面接触问题阻碍了其进一步的发展。

 

【成果简介

鉴于此,近日中国科学院北京纳米能源与系统研究所李从举研究员和中国科学院化学研究所郭玉国研究员共同合作在双锂盐体系凝胶聚合物电解质方面取得进展。相关论文以“ADual-Salt Gel Polymer Electrolyte with 3D Cross-Linked Polymer Network forDendrite-Free Lithium Metal Batteries”为题发表在国际期刊Advanced Science上,中国科学院北京纳米能源与系统研究所硕士研究生樊伟,博士研究生张秀玲,助理研究员李念武为共同一作。研究人员报道了将LiPF6-LiTFSI作为双锂盐溶解在ETPTA与PEGDA的高分子溶液中,然后在纤维素隔膜上原位聚合得到凝胶聚合物电解质。该聚合方法不仅原位地得到了聚合物电解质,同时解决了电极与聚合物膜之间的接触和锂枝晶的生长问题。该聚合物凝胶电解质在室温下具有0.56mS/cm的电导率。与单锂盐相比,双锂盐体系提高了电解质的室温电导率,同时锂枝晶的有效抑制也提高了锂金属电池的循环性能。LFP|3D-GPE|Li金属电池在室温0.5 C的电流密度下循环300圈容量仍有87.93%的容量保持。

双锂盐体系凝胶聚合物电解质

图1. 3D-GPE聚合物凝胶电解质的制备过程。

双锂盐体系凝胶聚合物电解质

图2. 以3D-GPE为电解质的电化学性能。(a)LFP|3D-GPE|Li半电池室温下在0.1C-1C倍率性能。(b)LFP|3D-GPE|Li半电池室温在0.5C下的循环性能。(c)LFP|3D-GPE|Li半电池室温下在0.1C-1C充放电曲线。(d)不同聚合物比例条件下的阻抗。(e)LFP|LiPF6 liquid electrolyte|Li 0.5C下循环100圈锂片表面形貌。(f)LFP|3D-GPE|Li  0.5C下循环100圈锂片表面形貌。

双锂盐体系凝胶聚合物电解质

图3.锂片表面XPS谱图。(a, b)LFP|LiPF6liquid electrolyte|Li未测试锂片表面C 1s, F 1s谱图。(c, d)LFP|LiPFliquid electrolyte|Li 0.5 C循环10圈之后锂片表面C1s, F 1s谱图。(e, f)LFP|3D-GPE|Li未测试锂片表面C1s, F 1s谱图。(g, h)LFP|3D-GPE|Li 0.5 C循环10圈之后锂片表面C1s, F 1s谱图。

 

【总结

研究人员通过把LiPF6-LiTFSI溶解在ETPTA与PEGDA的高分子溶液中,在纤维素膜上原位聚合得到双锂盐体系的凝胶聚合物电解质。该双锂盐体系的凝胶电解质在室温下具有0.56mS/cm的电导率。同时,在电池循环后,凝胶电解质体系的锂片表面没有明显的锂枝晶生长通过XPS谱图分析发现,与液体电解质相比较,凝胶聚合物电解质体系的锂片表面生成了稳定的SEI膜,抑制了锂枝晶的生长,使得锂金属电池室温下稳定循环300圈效率达到87.93%。该工作为未来聚合物电解质的设计和制备提供了新的思路。

 

WeiFan, Nian-Wu Li, Xiuling Zhang, Shuyu Zhao, Ran Cao, Yingying Yin, Yi Xing,Jiaona Wang, Yu-Guo Guo, Congju Li, A Dual-Salt Gel Polymer Electrolyte with 3DCross-Linked Polymer Network for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries, Advanced Science, DOI:10.1002/advs.201800559

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