北京大学夏定国/中科院物理所王雪锋《自然·通讯》：缠结缔合聚合物电解质用于高性能锂金属电池！

基于固态电解质的锂金属电池具有高能量密度和高安全性的优势，但存在离子电导率低和界面接触不良等问题。为了提高富锂锰基氧化物阴极与电解质之间的界面稳定性，有必要开发新的聚合物电解质。

近日，北京大学夏定国教授、中科院物理所王雪锋研究员报告了一种基于聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）（PVFH）基体和由丙烯腈、马来酸酐和碳酸亚乙烯酯制备的共聚稳定剂（PVCA）的缠结缔合聚合物电解质（PVFH-PVCA）。研究发现，PVFH-PVCA电解质的缠结结构赋予其优异的机械性能，消除了循环过程中枝晶生长产生的应力，并形成了稳定的界面层，使锂/锂对称电池在8 mA cm-2的条件下可稳定循环4500小时以上。此外，PVCA可作为稳定剂，促进形成电化学性能稳定的阴极-电解质相间层。结果，它具有较高的比容量和出色的循环稳定性，经过400次循环后容量保持率为84.7%。Li1.2Mn0.56Ni0.16Co0.08O2/PVFH-PVCA/Li全电池在1 C条件下循环125次（截止电压为4.8 V）后放电容量稳定在~2.5 mAh cm-2。

文章要点：

1. 这项工作成功合成了一种新型三嵌段共聚物，特别是由丙烯腈（AN）、马来酸酐（MA）和碳酸亚乙烯酯（VC）组成的共聚物稳定剂（简称 PVCA），并将其与PVFH混合，开发出一种新型耐高压凝胶聚合物电解质（简称PVFH-PVCA）。

2. 由于腈基、酯基和酸酐基团的综合功能特性，该体系具有很高的离子传导性和很强的抗氧化潜力。重要的是，PVCA中的强极性基团与PVFH相互作用，促进了高密度缠结结构的形成，从而有效改善了凝胶聚合物电解质的机械性能，使其抗拉强度达到惊人的19.83 MPa。

3. 结果，以富锂锰基材料为阴极、金属锂为阳极组装的基于PVFH-PVCA电解质的电池具有较长的循环寿命和较高的放电容量。此外，在LiCoO2 (LCO)||Li电池、LiFePO4 (LFP)||Li电池和LiNi0.95Co0.05O2 (NC95)||Li电池中也实现了类似的改进，这证明了PVFH-PVCA作为一种前瞻性聚合物电解质的普遍适用性。

图1 用于高性能锂金属电池的PVFH-PVCA聚合物电解质的设计

图2 PVFH-PVCA聚合物电解质的表征

图3 PVFH-PVCA电解质的性能

图4 锂金属电池的电化学性能

原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46883-8

来源：高分子科学前沿

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