北化頂刊：兼具力學和電化學性能，大大提高金屬鋰電池安全性！

2020-10-18 材料科學與工程

導讀：面對鋰金屬電池中鋰枝晶的生長問題，本文選取固態聚合物作為研究對象進行改性，通過構建多個C-S-C鍵，製備出具有良好機械強度、導電性和鋰離子傳輸效率全固態電解質。該研究也許將引導對於高聚合物電解質分子設計在鋰金屬電池中的重新思考。

鋰金屬電池具有極高的能量密度，被最有希望突破如今商用鋰離子電池的一個研究方向。但是金屬鋰在反覆充放電過程中會不可避免的形成枝晶，導致電池的刺穿而影響電池的整體安全。近日北京化工大學的孫曉明教授及其團隊成功製備了硫醇支化全固態聚合物電解質，具有良好的機械性能和電化學性能，大大提高了金屬鋰電池的安全性。相關論文以題為「Thiol-Branched Solid Polymer Electrolyte Featuring High Strength, Toughness, and Lithium Ionic Conductivity for Lithium-Metal Batteries」在Advanced Materials上發表。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001259 

傳統的金屬鋰電池一般使用液態有機電極液，也因此導致了諸如滲漏和易燃等眾多安全性問題，此外鋰枝晶在電解液中的生長也會進一步影響電池的安全性，嚴重阻礙了金屬鋰電池的實際商業化應用。因此，開發新一代安全固態電解質材料具有非常重要的實際價值。但是目前對於固態電解質無法很好地在材料的機械穩定性、熱穩定性、電化學穩定性各方面達到平衡，在追求某一性能時往往會導致其他方面性能的急劇下滑，因此還需針對其進行進一步的研究改性。

針對以上問題，作者精心設計了一種全新的固態聚合物電解質材料，並表現出了極佳的機械性能、低電阻和高離子傳輸效率。該材料由MOFs（UIO-66）、PETMP、PEGDA協同交聯合成。具有UIO-66與PETMP通過一個支化結構與PEGDA相連，使得鋰離子傳輸效率在室溫下可以達到2.26×10−4S cm−1。硫醇和烯烴光致聚合反應提供了多重C-S-C共價鍵，大大提升了材料的機械性能。而在電極上原位聚合，形成穩定的3D網絡並確保了電極和電解質之間的無縫接觸，大大減少了界面電阻。所組裝的Li||LiFePO4全電池表現出了極好的安全穩定性，並在40℃下載0.1 C和0.5 C的電流密度下分別具有163.3、141.1 mAh g−1比容量，並且在0.5 C下循環500次後比容量還保有123.1 mAh g−1，展現了極佳的應用潛力。

總結來說，作者利用光致聚合反應，通過精心構建具有硫醇支化的固態聚合物電解質，使材料的機械性能、電阻和鋰離子傳輸能力之間均表現出令人滿意的結果。所組裝的全固態金屬鋰電池和設計的一致表現出了極好的穩定性和良好的電化學性能。該研究結果展示了固態聚合物電解質巨大的潛力和價值，也對後續人們對於固態聚合物電解質分子排列設計具有非常重要的指導和借鑑意義。（文：Today）

圖1 (a)-(b) M-S-PEGDA的前驅體材料和製備過程示意圖；(c)-(e)樣品的紅外光譜圖。

圖2 M-S-PEGDA的物理性能。

圖3 M-S-PEGDA的電化學性能。

圖4 所組裝的Li|M-S-PEGDA|LFP全電池的電化學性能和安全性評估。

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