鋰電池在便攜式移動設(shè)備、電動交通及大規(guī)模儲能等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。然而，當(dāng)前鋰電池的性能發(fā)揮和安全性受到電解質(zhì)組分化學(xué)性質(zhì)（如氧化還原電位、溶劑化結(jié)構(gòu)、閃點(diǎn)等）的限制。因而，選擇性的擴(kuò)展電解質(zhì)組分，發(fā)展電解質(zhì)優(yōu)化策略，對開發(fā)新型的高性能電解質(zhì)體系，實(shí)現(xiàn)高安全、長循環(huán)和泛場景應(yīng)用的鋰電池具有重要意義。近幾年，高濃度電解質(zhì)方法有效的克服了電解液電化學(xué)窗口窄的問題，為下一代電池的開發(fā)提供了新的研究方向。然而，高濃度帶來的高粘度和低離子電導(dǎo)使其應(yīng)用受限。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所的科研人員在前期聚合物電解質(zhì)離子電導(dǎo)優(yōu)化的基礎(chǔ)上（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 18448; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2007172.），提出了固化的局部高濃度電解質(zhì)策略，通過解耦離子配對和離子傳輸，有效提高了電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和電解質(zhì)/電極間的界面兼容性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了可在寬溫度區(qū)間工作及優(yōu)異快充/快放能力的固態(tài)鋰金屬電池。研究成果近期以“Decoupling of ion pairing and ion conduction in ultrahigh-concentration electrolytes enables wide-temperature solid-state batteries”為題發(fā)表于Energy & Environmental Science。
本工作發(fā)展了基于冷凍干燥過程的聚合物電解質(zhì)制備方法，以二甲基亞砜作為鋰離子載體，聚偏二氟乙烯-六氟丙烯作為聚合物基體，構(gòu)筑了固化的局部高濃度電解質(zhì)（圖1）。該電解質(zhì)表現(xiàn)出增強(qiáng)的鋰離子傳輸能力，寬的電化學(xué)窗口及穩(wěn)定的鋰沉積剝離過程。同時，所組裝的固態(tài)鋰金屬電池具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，以及優(yōu)異的高低溫性能、倍率性能和安全性（圖2）。通過理論計(jì)算對體系各組分相應(yīng)化學(xué)鍵的鍵長變化進(jìn)行了分析，解釋了電解質(zhì)的工作機(jī)制，提出了鋰離子傳輸模型。該工作為非常規(guī)溶劑在高性能電解質(zhì)中的應(yīng)用提供了新的研究視角，為新型電解質(zhì)的設(shè)計(jì)和制備提供了研究思路。
金屬所博士研究生徐勝軍為論文第一作者，徐若谷為共同第一作者，李峰研究員和孫振華研究員為論文的通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)、興遼英才計(jì)劃、沈陽材料科學(xué)國家研究中心等項(xiàng)目的支持。
圖1. 固化的局部高濃度電解質(zhì)設(shè)計(jì)及制備示意圖。
圖2. 固態(tài)鋰金屬電池的寬溫、倍率及安全性能測試。
