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中科院青能所崔光磊团队AM:原位梯度聚合深共晶电解质,推动高能量密度锂电池发展

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随着电动汽车和便携设备快速发展,高能量密度、高安全性锂电池需求迫切。传统液态碳酸酯电解质的锂离子电池存在电解液泄漏、热失控风险及能量密度瓶颈。固态聚合物电解质(SPE)虽具备本征安全性优势,但常规SPE因离子电导率低(约10⁻⁵ S cm⁻¹)、抗氧化稳定性差,难以匹配高载量(>3.5 mAh cm⁻²)与高电压镍钴锰(NCM811)正极,导致界面阻抗高、容量利用率不足,严重制约电池性能提升。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员张建军副研究员葛雪松助理研究员青岛科技大学周新红教授团队在《先进材料》发表创新成果,通过原位梯度聚合深共晶电解质成功制备出兼具高离子电导率与优异界面兼容性的SPE。该电解质在室温下离子电导率达1.5×10⁻³ S cm⁻¹,且形成花瓣状相分离结构加速锂离子传输。基于此组装的19.5 mg cm⁻²高载量NCM811全电池在200次循环后容量保持率达85.3%,1.2 Ah工业软包电池能量密度创纪录达382 Wh/kg,并将热失控触发温度从198°C提升至312°C。

分子设计与聚合机理

团队通过理论计算筛选出氧化稳定性最优的聚甲醛(POM)单体,其最高占据分子轨道(HOMO)能级低至-7.52 eV。以1,3,5-三氧杂环己烷(TXE)与丁二腈(SN)构成深共晶电解质(DEE),在LiDFOB引发下发生阳离子开环聚合。拉曼光谱(944 cm⁻¹峰消失与906 cm⁻¹新峰出现)证实TXE成功聚合为POM,凝胶渗透色谱(GPC)显示聚合物分子量随反应时间增长至25.5 kDa,流变学测试表明体系由液态转变为机械刚性固体。

图1 a) POM、PDOL、PEO及POM-SN的HOMO和LUMO能级; b) POM、PDOL和PEO的垂直电离势计算值; c,d) POM和POM-SN的静电势分布; e) 深共晶电解质(DEE,左)及其聚合物(P-DEE,右)实物图; f) TXE、DEE和P-DEE的拉曼光谱; g) DEE-1在80°C聚合30、60、120分钟后的POM分子量分布。

梯度聚合调控电极界面

DEE在NCM811正极表面接触角仅35.84°,实现完全浸润(EDS氮元素均匀分布)。聚合过程中,SN分子优先吸附于正极表面(吸附能-1.285 eV),抑制内部POM链增长,形成分子量梯度(电解质区POM分子量25.5kDa vs. 正极区5.5kDa)。该梯度结构在正极内部构建连续锂离子通道,恒电流间歇滴定(GITT)测试显示原位SPE的锂离子扩散系数(DLi⁺)显著高于非原位SPE,过电位降低50%以上。

图2 a) P-DEE循环后NCM811正极截面的SEM及EDS图谱; b) 原始与循环后NCM811正极的热重分析; c) 从NCM811‖P-DEE‖石墨电池拆解正极中提取POM的GPC结果; d,e) SN和TXE在NCM811表面吸附能计算; f) 原始NCM811与DEE浸泡后正极的N 1s XPS谱; g) 非原位/原位P-DEE组装的NCM811正极GITT曲线及锂离子扩散系数; h) 非原位与原位SPE制备示意图。

相分离提升离子传输

聚合诱导的相分离形成花瓣状异质结构:XRD证实22.9°、34.6°和48.3°处出现POM结晶相,非晶区富含SN和锂盐。冷冻电镜显示该结构具有各向异性薄片特征,比表面积达47.6 m² g⁻¹(远超商业隔膜)。固态核磁(⁷Li谱)与结合能计算(POM-Li⁺结合能-2.45 eV)表明POM结晶相与Li⁺强相互作用,促使Li⁺在界面富集,离子迁移数提升至0.68,激活能低至13.49 kJ mol⁻¹。

图3 a) P-DEE离子电导率与活化能; b) DEE与P-DEE的锂离子扩散系数(固态NMR); c) 不同聚合时间DEE的XRD谱及乙腈过滤残留物; d,e) P-DEE原始形貌及过滤残留物的SEM图像; f) 过滤残留物的冷冻电镜图像; g) DEE、P-DEE及无TXE体系的⁷Li固态NMR谱; h) POM、PDOL、PEO与锂离子的结合能。

电池性能与安全性

高载量NCM811‖石墨全电池(4.25V截止电压)在0.5C倍率下初始放电容量210.3 mAh g⁻¹,200次循环后容量保持率85.3%,优于液态电解质(27.2%)和非原位SPE。1C倍率下仍提供150 mAh g⁻¹容量。1.2 Ah NCM811‖SiOₓ软包电池能量密度达382 Wh/kg(图4e),50次循环容量保持76%。加速量热(ARC)测试表明,SPE将热释放起始温度从157°C延迟至266°C,热失控温度从198°C升至312°C。即使针刺、切割后,电池仍可点亮LED(图4g)。

图4 a) 高载量NCM811‖石墨全电池(0.5C)循环性能对比; b) NCM811‖SiOₓ电池(0.5C)循环性能; c) NCM811‖石墨电池倍率性能; d) 1.2 Ah软包电池实物图及循环性能(C/3); e) 软包电池各组分质量占比; f) 满电软包电池ARC测试的热失控曲线; g) 软包电池在针刺/切割测试中点亮LED。

电极保护机制

原位XRD证实NCM811在充放电过程中经历可逆六方-单斜相变(图5a)。SPE在正极颗粒表面形成均匀聚合物保护层(SEM显示无裂纹),XPS检测到富含C-N、B-F和LiF的稳定CEI膜(图5e-g),有效抑制过渡金属溶解(SiOₓ负极表面几乎无镍元素)。对硅基负极,原位聚合SPE将充电态厚度膨胀率从109%降至43%(图6c),HRTEM显示SiOₓ表面形成100 nm聚合物包覆层(图6e),限制体积变化并保持电极完整性。

图5 a) P-DEE体系NCM811首圈充放电原位XRD; b) 不同电解质循环后SiOₓ负极的Ni 2p XPS谱; c,d) 液态电解质与P-DEE循环后NCM811正极SEM图; e-g) 循环后NCM811正极的N 1s、F 1s和C 1s XPS谱。

图6 a-c) 原始、P-DEE与液态电解质循环后SiOₓ负极截面SEM图; d,e) 原始与循环后SiOₓ负极的TEM及EDS图谱; f) 原位聚合POM抑制SiOₓ体积膨胀机制示意图。

应用前景展望

该研究通过原位梯度聚合与相分离的协同效应,解决了固态电池高载量电极浸润性差、界面阻抗高的核心难题。所开发的深共晶电解质体系兼具高离子电导率与优异机械强度,使工业级软包电池能量密度突破382 Wh/kg,同时大幅提升热安全性。该策略为开发高能量密度、高安全性锂离子电池提供了普适性技术路径,有望加速固态电池商业化进程。

来源:高分子科学前沿

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