天津大学封伟团队：高离子电导率的锂单离子固态聚合物电解质

　　锂离子电池（LIBs）由于相对较高的比能量和能量密度被认为是混合/电动汽车和便携式电子产品中最有潜力的储能和转换技术。然而，在使用锂金属为负极的LIBs，即锂金属电池（LMBs）过程中，由于在充电过程中不规则的金属锂电沉积容易形成锂枝晶，因此液体电解质的爆炸等安全问题受到了人们的关注。

　　固体聚合物电解质（SPEs）具备坚固性、宽的电化学窗口、循环过程中热稳定性好等特点。它们因为不挥发性、低可燃性和高安全性而备受人们的关注。然而，典型的SPE是双离子导体，即锂离子和阴离子在LIBs充放电过程在正极和负极之间迁移。而这个现象会导致锂离子浓度梯度和电池极化，从而导致锂枝晶的形成和电池过早失效。以高锂离子迁移数（接近1）为特征的锂单离子导体通过共价键将阴离子固定在聚合物骨架上，从而使阴离子的运动受限或完全不动。因此，在单离子导体中，只有锂离子能够在LIBs中进行长距离的迁移。因此，锂单离子聚合物固态电解质（SSPEs）能够缓解电极附近浓度梯度，弱化形成枝晶的驱动力，从而有效地抑制枝晶形成。

　　近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授课题组制备了一种高离子电导率的锂单离子固态聚合物电解质。在前期工作（J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 22519）中，该团队设计和合成了新型的交替结构的单离子聚合物锂盐：聚（乙烯基双苯磺酰亚胺锂-alt-马来酸酐）（P[SSPSILi-alt-MA]）。其中，双苯磺酰亚胺锂结构中的O=S=O基团与苯环的协同作用使得N原子上的电子离域程度更高。马来酸酐基团由于高介电常数可以进一步促进其上锂离子的解离，增加“自由锂离子”的浓度。P[SSPSILi-alt-MA]的交替结构有利于“自由锂离子”在分子尺度上分布均匀。在此次工作中该团队将P[SSPSILi-alt-MA]和PEO复合制备了锂单离子固态聚合物电解质，锂离子解离程度的增加以及分子尺度上的均匀分布使该锂单离子聚合物固态电解质拥有高的离子电导率（3.08×10-4 S cm-1）。研究表明，该聚合物固态电解质对锂枝晶形成和生长有着很好的抑制作用。随后将P[SSPSILi-alt-MA]聚合物固态电解质组装成磷酸铁锂电池，该纯固态电池表现出了优异的循环稳定性。

　　相关研究成果近期已在线发表在Energy Storage Materials杂志上（DOI：10.1016/j.ensm.2019.03.004），第一作者为博士研究生曹晨，共同通讯作者为李瑀。

　　图文速递：

图1. 通过溶液浇铸法制备P[SSPSILi-alt-MA]/PEO SSPE薄膜的过程示意图

图2. P[SSPSILi-alt-MA]/PEO SSPE薄膜的离子电导率随温度的变化曲线

图3. 装配20 wt% SSPE膜的锂对称电池的充放电电压曲线

图4. 锂对称电池恒流充放电（a）前和（b）后锂电极表面的SEM图

图5.“Li/20 wt% SSPE膜/LFP”电池在0.1 C电流下的长循环性能

　　全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829718314272