98歲諾獎得主、鋰電之父Goodenough教授,再度出手挑戰鋰枝晶!

2020-12-27 孜然學術

導讀：鋰離子電池（LIBs）的研究重點是抑制鋰枝晶，提高離子電導率，提高Li金屬/電解質界面相容性。本文報導了一種新策略製備凝膠聚合物電解質，由此構成的電池的電化學性能優異，可以對Li枝晶生長的有效抑制，助力於有機電解質體系安全地用於下一代高能量密度鋰金屬電池。

「鋰電之父」Goodenough教授的名字很霸氣。2019年10月9日，他和另外兩位科學家共同榮獲2019年諾貝爾化學獎，以表彰他們在鋰離子電池研發領域做出傑出的貢獻。Goodenough教授以97歲高齡成為迄今為止最年長的諾獎得主。

近日，Goodenough教授再度出手，聯合西安交通大學唐偉教授和李明濤教授（通訊作者）報導了一種通過在功能修飾的SiO2層上負載有機液體電解質的原位凝膠化而製備的凝膠聚合物電解質，其在室溫下具有1.98×10-3S cm-1的高室溫離子電導率以及優異的熱穩定性和電化學窗口（> 4.9 V），由此構成的LiFePO4/SiO2-GPE/Li電池在1C時循環700圈之後仍然能夠以88.42%的容量保持率展現125.5 mAh g-1的高容量。這一切優異電化學性能主要是由於電極/SiO2-GPE電解質界面的高度相容性和協同效應對Li枝晶生長的有效抑制。相關論文以題為「Upgrading traditional organic electrolytes toward future lithiummetal batteries: a hierarchical nano SiO2-supported gel polymerelectrolyte」於2020年4月22日剛剛被ACS Energy Lett.接收。

論文連結doi/10.1021/acsenergylett.0c00412

近幾十年來，鋰離子電池（LIBs）已廣泛應用於可攜式電子設備和電動汽車。隨著市場需求的不斷增加，目前的LIBs難以滿足未來電動汽車日益增長的能源和電力需求。高容量電極材料的探索被認為是提高能量密度的有效策略。在負極方面，鋰金屬由於其較高的理論容量和較低的還原電位，被認為是替代商業石墨負極的一種很有前途的選擇。然而，在循環過程中，常見的有機電解液不可避免地與Li發生反應並產生Li枝晶，導致庫倫效率（CE）低和巨大的安全隱患。採用固態電解質能夠有效解決以上遇到的問題，如今的研究重點集中於抑制鋰枝晶，提高離子電導率，提高Li金屬/電解質界面相容性。

GPEs合成過程：首先用矽烷偶聯劑異氰基丙基三乙氧基矽烷（IPTS）對親水性SiO2進行表面改性，引入異氰酸酯基團；然後將異氰酸酯基團水解生成羧基，由羧基生成的質子引發DOL的開環聚合；最後，將預配置的前驅體溶液注入LiFePO4（LFP）正極表面，包覆上述功能修飾的SiO2。與傳統的液體電解質相比，SiO2改性正極和商業化隔膜具有良好的潤溼性能。

圖1.SiO2-GPE的製備工藝及相應性質。（a）SiO2-GPE合成工藝示意圖；（b） 納米SiO2反應前後的FTIR光譜；（c）聚合後TPGDA和SiO2-GPE的FTIR光譜；（d，e）液體電解質（1M LiPF6-EC/EMC/DMC）和凝膠電解質（5 wt% TPGDA聚合於1M LiPF6-EC/EMC/DMC）的光學照片。

圖2.SiO2-GPE的電化學表徵。（a）傳統液體電解質/隔膜體系、凝膠聚合物電解質和SiO2-GPE的TGA曲線；（b，c）傳統液體電解質/隔膜，在SiO2層吸收的傳統液體電解質和含3wt%、5wt%和10wt%TPGDA的SiO2-GPE的Arrhenius曲線和LSV曲線。（d）SiO2-GPE的CV曲線；（e，f）Li/SiO2-GPE/Li和Li/1M LiPF6-EC/EMC/DMC/Li電池的離子電導率測試。

圖3.Li/Li對稱電池的電化學穩定性分析和Li負極界面分析。（a，b）Li/SiO2-GPE/Li和Li/1M LiPF6-EC/EMC/DMC/Li對稱電池在0.1mA cm-2和1 mA cm-2的循環曲線；（c，d）在1M LiPF6-EC/EMC/DMC電解液中，循環前後Li箔形貌變化；（e）相對應的Li負極EDX分析；（f）在SiO2-GPE電解質匯中，循環前後Li箔形貌變化；（g，h）相應的Li負極EDX分析。

圖4.SiO2-GPE基電池的電化學表徵。（a）LFP/SiO2-GPE/Li電池在不同充放電態下的阻抗；（b）在0.1C時的初始充放電曲線；（c）LFP/SiO2-GPE/Li電池的倍率性能；（d）在0.1C時的循環性能和循環效率。

總之，本工作報導了一種通過在功能修飾的SiO2層上負載的有機液體電解質的原位凝膠化而製備的凝膠聚合物電解質，使得正負極與SiO2-GPE之間具有較低的界面阻抗和對鋰枝晶有明顯的抑制作用，匹配的LFP/SiO2-GPE/Li電池以0.1C的倍率循環200圈之後，仍能以99.75%的容量保持率展現出162.9 mAh g-1的高容量。這樣新穎的策略使得Li金屬與電解液之間的問題得以順利解決，從而進一步助力於有機電解質體系安全地用於下一代高能量密度鋰金屬電池。（文：Caspaer）

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