斯坦福大学：5 µm超薄、耐150℃高温聚合物固态电解质

颗粒在线讯：背景介绍

与传统锂离子电池相比，全固态电池（ASSBs）因其高的能量密度、良好的热稳定性和安全运行等优点，表现出巨大的潜力。在各种固态电解质（SSEs）中，固态聚合物电解质（SPEs）因其薄、低密度和良好的可加工工艺而成为一种有吸引力的选择。然而，在实际电流密度或高温下工作的超薄SPEs仍然具有挑战性，缺乏热稳定性和机械强度，通常使其不足以满足高安全和高性能的锂金属电池的要求，特别是在高温（>100℃）下。陶瓷和SPEs的混合物可以提供良好的机械强度和安全性，但实现超薄复合SSEs仍然具有挑战性。因此，迫切需要设计一种满足上述要求的坚固、超薄的SSEs。

内容简介

鉴于此，美国斯坦福大学崔屹教授等通过静电纺丝，然后渗透PEO/双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI），可以很容易地获得具有高机械强度、与锂金属良好的界面稳定性和优异的热稳定性的PAN膜基SPEs。

研究表明，PAN的模量比普通的PEO/LiTFSI电解质高五个数量级。新型SPEs表现出稳定的SPE/Li界面，其界面阻抗比传统的PEO/LiTFSI|Li界面低得多且更稳定。因此，PAN-PEO/LiTFSI电解质在高电流密度下表现出优异的循环稳定性，能够有效抑制锂枝晶。究其原因，本文的电解质和锂金属之间的稳定性源于LiF和Li3N在SPE|Li金属界面处的形成。此外，PAN-PEO/LiTFSI固态电解质在Li/SSE/LFP电池中表现出比普通PEO/LiTFSI更好的倍率性能和循环稳定性。

因此，由此制备的Li-Li对称电池在0.5 mA cm-2下可提供超过300小时的循环能力。此外，仅用5 µm厚度的PAN-PEO/LiTFSI制备的ASSBs以0.3 C的倍率和60℃的温度能够稳定循环300次。PAN凭借出色的热稳定性使得SPEs在高温下更加安全。更加重要的一点是，电纺PAN膜还表现出良好的热稳定性，这确保了Li/PAN-PEO/LiTFSI/LFP全固态电池在高达150°C的高温下表现出优异的循环稳定性。该设计将电池循环温度扩展到120和150℃，能够分别以C/2倍率和2C倍率循环500次和100次。

因此，这项工作为制备具有高能量密度、耐高温和长寿命的超薄、安全的SPEs提供了一种有效的技术。这项工作还可以为设计未来在高温下工作的高性能SPEs提供指导原则，并激发对SPEs更广泛的研究和应用。

相关论文以“Scalable, Ultrathin, and High-Temperature-Resistant Solid Polymer Electrolytes for Energy-Dense Lithium Metal Batteries”为题发表在Adv. Energy Mater.。

图文解析

本文制备的具有纳米纤维PAN膜基质的超薄聚丙烯腈 (PAN)-PEO/LiTFSI SPE薄膜，可以克服上述挑战。PAN膜基体很容易通过静电纺丝制备，然后进行压延。压延PAN膜具有四个主要功能：

（1）静电纺丝和压延相结合的技术是一种制备聚合物膜的简便、可扩展且易于制造的方法，其中基体材料易于改性或功能化。与之前展示的聚酰亚胺或聚乙烯（PE）隔膜主体相比，静电纺丝可以通过选择多种聚合物化学物质来提供可调节的化学功能；

（2）与之前报道的PEO-LiTFSI/电纺PAN/Li6.7La3Zr1.7Ta0.3O12复合电解质相比，压延使PAN膜具有更高的体积百分比和模量，从而确保超薄和致密的SPEs低至5 µm，这是迄今为止报告的最薄的SSEs之一；

（3）与没有压延的多孔电纺聚合物薄膜不同，压延后的致密PAN膜大大增加了PAN纤维与锂电极之间的界面接触面积。所以，形成的富含LiF和Li3N的SPE/Li界面，有利于锂电池的稳定循环；

（4）PAN区别于其他聚合物的高热稳定性，有助于实现高温条件下的电池。

在本文中，PAN表现出很高的热稳定性，以确保全固态电池在高达150°C的高温下安全稳定地工作，大大超过了SPEs的常见温度范围。本文研究了PAN的独特性能，并首次将其应用于高温电池领域，从而体现了本文工作的新颖性。

图1. PAN-PEO/LiTFSI电解质的制备及表征

图2. PAN-PEO/LiTFSI电解质膜的力学性能和化学性质测试

图3. SSE和锂金属之间的界面稳定性评估

图4. PAN-PEO/LiTFSI SPE在全电池的性能测试

图5. PAN-PEO/LiTFSI的热稳定性测试及在高温下的性能

Scalable, Ultrathin, and High-Temperature-Resistant Solid Polymer Electrolytes for Energy-Dense Lithium Metal Batteries，Adv. Energy Mater.，2022，

https://doi.org/10.1002/aenm.202103720