清华大学汪长安、董岩皓AFM：原位聚合封闭PEGDME复合准固态电解质用于高性能锂金属电池

目前正在开发固态锂金属电池，以提高能量密度和安全性。其关键是要开发出易于加工并能提高电化学循环稳定性的新型电解质体系。

近日，清华大学汪长安教授、董岩皓助理教授设计并展示了一种准固态复合电解质，它基于原位限制在聚合甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨架中的低分子量聚乙二醇二甲醚（PEGDME）。研究显示，新设计的聚合物基体与Li+导电陶瓷填料和适当的锂盐一起，具有令人满意的锂离子电导率（在30℃时为1.1×10-4 S cm-1，在80℃时为1.0×10-3S cm-1）、良好的电化学稳定性（>4. 7 V vs Li+/Li），并且与锂金属正极高度兼容，从而实现了锂||锂对称电池和锂金属全电池（包括LiFePO4或LiCoO2阴极）的室温工作和长期稳定循环。这项工作可以有意义地扩展复合电解质的设计范围，而且原位聚合限制的思想几乎适用于所有低分子量聚合物、高分子量骨架、陶瓷填料、锂盐和添加剂，可用于未来室温固态锂金属电池的开发。

文章要点：

1. 这项工作专门开发了一种原位聚合封闭型低分子量聚醚基固态电解质，它适用于多种陶瓷复合材料系统，它可通过简单的两步批量聚合工艺实现。与传统的聚甲基丙烯酸甲酯基凝胶电解质相比，这种新型集成制备工艺省去了THF溶剂和碳酸酯电解液中复杂而危险的溶解、成型和浸泡过程，是一种更可行的替代方法。此外，它还能有效解决与传统原位凝胶电解质相关的安全风险，如浸泡不均匀和液体泄漏。

2. 电解质中的聚合高分子量聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可作为坚固的骨架相，提供自支撑强度，同时作为聚酯基质增强阴极侧电解质的抗氧化性。封闭的低分子量聚乙二醇二甲醚（PEGDME）作为主要功能相，与其他相协同促进锂离子的快速传输，同时还可作为PMMA玻璃相的增塑剂，提高机械性能。其卓越的链段运动能力可大大提高电解质的离子导电性。

3. 选择二氟草酸硼酸锂（LiDFOB）作为游离锂离子的唯一来源，可在与锂金属阳极的界面上形成富含氟的固体电解质界面保护层（SEI）。这有效抑制了PEGDME与锂金属阳极之间的不良反应，从而通过界面工程提高了阳极侧聚合物基质的稳定性。因此，该研究制备的电解质具有高离子电导率和宽电化学窗口，对锂金属电极具有优异的电化学稳定性和低界面电阻。

4. 这种聚合物电解质的锂离子转移数可高达0.68。通过与导电的LiTa2PO8（LTPO）混合，该电解质的电化学稳定性和长循环性能可得到进一步提高和加强。该研究制备的准固态电解质在锂对称电池中表现出卓越的长期循环性能，在室温下的锂金属电池中也表现出优异的放电容量和循环稳定性。

图1 材料表征

图2 PEGDME@PMMA电解质的电化学性质

图3 锂阳极形貌观察

图4 LFP||PP-LTPO CSE||Li全电池性能

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202315777

来源：高分子科学前沿

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