隨著電動汽車和儲能系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)有的鋰離子電池已難以滿足日益增長的能量密度和安全性要求。鋰金屬陽極具有3860 mAh g-1的理論比容量，搭配高電壓正極時，能夠?qū)崿F(xiàn)超過500 Wh kg−1 的電池體系。然而，目前市場上應(yīng)用于鋰金屬電池的有機溶劑類電解液存在易燃、易爆的安全隱患，尤其在電池發(fā)生短路或過充時，液態(tài)電解液可能引發(fā)熱失控，導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，嚴重制約了鋰金屬電池的進一步發(fā)展，提高特種設(shè)備電池的安全性和循環(huán)壽命成為亟待解決的關(guān)鍵問題。 
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子學(xué)院徐友龍教授團隊設(shè)計了一種不可燃的聚合物基深共晶電解質(zhì) (PDEE)。該電解質(zhì)將本征不可燃的N-甲基乙酰胺 (NMA) 基深共晶電解液通過原位聚合封裝在聚合物框架內(nèi)。NMA和硝酸鋰(LiNO3)中極性基團之間強大的 Li+-溶劑相互作用顯著提高了LiNO3的溶解度，通過調(diào)節(jié)LiNO3的含量來控制鋰沉積主體的內(nèi)部亥姆霍茲平面，以實現(xiàn)快速的LiNO3電離動力學(xué)，確保鋰沉積均勻和SEI中Li+的高交換率，構(gòu)建出有利于提高電池循環(huán)壽命的固體電解質(zhì)相界面。這種新型電解質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在25°C時離子電導(dǎo)率為 2.5 mS cm-1以及0.61的鋰離子遷移數(shù)。實現(xiàn)了LFP||PDEE-2||Li固體電池在 1 C 時1000次穩(wěn)定循環(huán)，容量保持率為80.4%。這一成果為共晶溶劑基聚合物電解質(zhì)的最佳性能之一，標志著鋰金屬電池向更高效、更安全的方向邁出了重要一步。
圖1 通過設(shè)計調(diào)控共晶電解質(zhì)形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面的示意圖
圖2 固態(tài)LFP||PDEE-2||Li電池的循環(huán)性能
近日該研究成果以“溶劑化調(diào)控實現(xiàn)非易燃聚合物深共晶電解質(zhì)及增強的無機富集界面用于長循環(huán)鋰金屬電池”(Solvation Regulation of Non-Flammable Polymer Deep Eutectic Electrolytes with Reinforced Inorganic-Rich Interphase toward Long-Cycle Lithium Metal Batteries)為題發(fā)表在國際材料領(lǐng)域著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子學(xué)院楊浦博士為論文第一作者，徐友龍教授為論文唯一通訊作者，西安交通大學(xué)為論文唯一通訊單位。該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃的資助。論文的表征及測試得到了西安交通大學(xué)分析測試共享中心、西安交通大學(xué)國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺的支持。
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