基于聚环氧乙烷(PEO)的固态聚合物电解质(SPE)已被公认为先进锂金属电池的极具前景的候选者。然而,基于PEO的SPE的实际应用受到其低临界电流密度(CCD)的阻碍,这是由不期望的枝晶生长引起的。
近日,浙江大学陆盈盈教授提出了一种基于PEO的SPE,其表现出超高CCD(4 mA cm−2),并通过掺入少量P2S5(PS)增强了锂离子导电性。作者通过冷冻电子显微镜(cryo-EM)和飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)揭示了其富含Li2O和P/S的结晶固体电解质界面(SEI),这有助于抑制枝晶生长以及SPE与还原性锂之间的不良反应,从而使无枝晶的锂金属阳极实现了球形生长行为。因此,利用PS集成SPE,Li-Li对称电池在运行过程中表现出降低的电阻,能够在0.5 mA cm−2和0.5 mAh cm−2下实现超过200小时的稳定循环,这对PEO基电解质来说是一个严格的测试条件。此外,Li/SPE/LiFePO4(LFP)软包电池在使用50 µm Li和30 µm PEO电解质的100次循环后表现出80%的容量保持率,显示了其实际应用的潜力。
文章要点:
1. 这项工作提出了一种基于PEO的电解质,它有利于半电池和全电池的性能。具体而言,作者通过在PEO基电解质引入P2S5添加剂降低了聚合物电解质链段的结晶度,促进了LiTFSI的解离,从而提高了离子电导率和锂离子迁移数。此外,聚合物膜的均匀性大大提高,具有更好的抗枝晶性能。
2. 实验和计算证据表明,PS的加入改变了LiTFSI的分解子序列,并导致形成富含Li2O且含有P/S的结晶SEI,这使得无枝晶锂阳极能够实现球形生长行为,从而提供致密形态的锂金属沉积。
3. 结果很好地解决了Li-Cu半电池的库伦效率(CE)较差、Li-Li对称电池的CCD较低以及固态锂金属电池中的快速短路等问题。半电池的CE从50%提高到90%,CCD从1.8mA cm−2提高到4mAcm−2。
4. 由于存在稳定的SEI,构建的软包在100次循环后表现出80%的容量保持率,这是基于PEO的研究中很少报道的结果。所描述的基于PEO的电解质的策略和发现对实现下一代固态锂金属电池具有重要意义。
图1 本体特性的表征
图2 电化学性能和沉积形态
图3 锂金属表面SEI的界面性质和形态
图4 全电池的电化学性能
原文链接:
https://doi.org/10.1002/aenm.202302587
来源:高分子科学前沿
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