导读
近期，纳米科学与材料工程学院赵勇课题组在高比能碱金属电池电解质领域取得新进展，相关成果以“Unlocking Mechanism of Anion and Cation Interaction on Ion Conduction of Polymer Based Electrolyte in Metal Batteries”为题，以全文形式在国际化学顶级期刊《德国应用化学》上发表（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, DOI: 10.1002/anie.202415343）。
图1. GPE在Li+溶剂化结构中的离子转移模式示意图。
（左侧：溶剂化的Li+被阴离子包围，Li+的转移受到阴离子结合的限制。右侧：阴离子与聚酯的EWG结合，Li+转移速率快。）
高比能电池是提升电动汽车续航里程的重要技术手段，动力电池安全技术是高比能动力电池应用的前提。三维聚合物基凝胶电解质可以有效抑制有机电解液挥发，提升高比能可充电电池如锂金属电池的安全性，受到人们的广泛关注。然而，三维聚合物基凝胶电解质面临着体相离子电导率低，正负极固体电解质界面层（SEI）稳定性差的问题，因此，凝胶态锂金属电池性能有待进一步提升。
在前期研究中，针对界面不稳定的问题，我们发展了一种新的含硅聚醚三维凝胶聚合物电解质，其可以在锂金属正负极表面形成稳定的富含LixSiOy的SEI，有效地提升凝胶态锂金属电池中电解质与电极界面稳定性，进而提高电池整体的循环稳定性（Small 2022, 2106395）。针对凝胶电解质体相离子电导率低的问题，我们提出了一种新的离子传输路径。通过调控锂离子（Li+）在含−NR3官能团上的配位强度高于聚合物网络和溶剂中的−C=O官能团，Li+在GPE（PSOA）中配位强度更强的−NR3上有序且快速传输（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 2302559）。
在上述工作的基础上，通过设计四种具有不同吸电子基团（EWG）的交联聚酯，发现加强EWG与阴离子的相互作用可以削弱阴离子与Li+的相互作用，对于电解质的高Li+转移数（tLi+）和离子导电性至关重要。基于含EWG的聚(2, 2, 3, 3-四氟丙基甲基丙烯酸酯)（PTFM）的凝胶聚合物电解质（GPE）的离子电导率为0.78 mS cm-1，tLi+为0.85，远高于不含EWG的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。组装的Li||PTFM||NCM811全电池在面容量为5.5 mAh cm-2 的稳定循环寿命是参比器件Li||PMMA||NCM811的5 倍。同时，组装的石墨||PTFM||NCM811软包锂离子电池在循环500 次后（220 Wh kg-1），容量保持率达到 92%。这项工作解析了阳/阴离子相互作用对聚合物基凝胶电解质离子传输的影响机制，对于开发具有高安全性高比能碱金属电池提供了理论和技术支撑（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, DOI: 10.1002/anie.202415343）。
河南大学纳米科学与材料工程学院博士研究生张琦和卞腾飞为论文共同第一作者，赵勇教授为论文通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委、河南省科技厅、河南省教育厅和河南大学的大力支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202415343
来源： 河南大学
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