武汉纺织大学杨琪，蔡光明教授，天津工业大学康卫民教授，CEJ：双层纤维膜构建双功能复合固态电解质- 大数跨境

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武汉纺织大学杨琪，蔡光明教授，天津工业大学康卫民教授，CEJ：双层纤维膜构建双功能复合固态电解质

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2024-06-30

导读：武汉纺织大学杨琪，蔡光明教授，天津工业大学康卫民教授，Chemical Engineering Journal：双层纤维膜构建双功能复合固态电解质

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文章信息

双层磺化聚醚砜（SPES）/聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）纳米纤维膜构建的高性能全固态锂金属电池双功能复合固体电解质

第一作者：杨琪

通讯作者：蔡光明*，康卫民*，杨琪*

单位：武汉纺织大学，天津工业大学

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研究背景

聚合物固态电解质易于加工，并与电极之间具有良好的界面接触性能，被认为是非常有吸引力的下一代电解质材料。其中，聚氧化乙烯（PEO）由于其强的锂离子溶剂化能力和优异的成膜性能而受到广泛研究。然而，PEO在室温下的离子电导率较低，并且难以抵抗锂枝晶的穿透作用，这严重限制了PEO基固态电解质的发展。研究表明，PEO和电解质中锂盐之间的O-Li⁺离子偶极相互作用是Li⁺转移的主要模式。因此，提高PEO聚合物的局部链段迁移能力有利于促进Li⁺的传输。另外，PEO中同时存在结晶相和非晶相，这将导致电解质中Li⁺的不均匀转移，最终导致锂枝晶的生长。因此，设计一种离子能够快速、有序运输且可以有效抵抗锂枝晶生长的双功能电解质具有十分重要的意义。

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文章简介

近日，武汉纺织大学杨琪，蔡光明教授与天津工业大学康卫民教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题目为“Dual functional composite solid electrolyte constructed by double-layer sulfonated polyethersulfone (SPES)/poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) nanofiber membrane in high-performance all-solid-state lithium metal batteries”的研究文章。该研究通过将PEO基体与双层磺化聚醚砜（SPES）-聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）纳米纤维膜相结合，获得了具有双重增强作用的复合固体电解质（D-SPES-PH-PEO）。SPES纳米纤维膜利用其自身-SO3H基团的电负性和库仑力，能够作为离子传输的跳跃位点，降低D-SPES-PH-PEO电解质的能垒。PVDF-HFP纳米纤维膜得益于C-F键的存在，在锂阳极上产生保护性SEI层。此外，这种功能膜不仅有效地构建了三维离子传输通道，而且提高了电解质的机械强度。

图1 复合固态电解质的构建与工作机理图

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本文要点

要点一：双层纤维膜和复合固态电解质的形貌

利用静电纺丝法制备了双层的SPES-PVDF-HFP纤维膜，并采用传统的溶液浇筑法将PEO-LiTFSI基质与双层纤维膜结合构成复合固态电解质。

图2 双层纤维膜和复合固态电解质的形貌表征

要点二：优化的离子导电性和机械强度

SPES纳米纤维和PVDF-HPP纳米纤维对PEO结晶区的双重破坏作用使得D-SPES-PH-PEO电解质上的结晶峰变弱。由于Li⁺在PEO中的运动主要依赖于-C-O-C链段的振动迁移，并且这种行为受到PEO微观区域无序程度的影响。因此，双层SPES-PVDF-HFP纳米纤维膜有利于通过强烈破坏结晶区来实现Li⁺的传输。D-SPES-PH-PEO电解质在30℃下具有7.41×10^-5 S cm^-1的高离子电导率。

图2 复合固态电解质的机械强度和离子电导率

要点三：SEI膜促进对称电池的循环稳定性

PVDF-HFP纳米纤维中存在丰富的C-F键。用D-SPES-PH-PEO电解质代替PEO电解质后，循环后锂负极上LiF的含量从2.2%增加到30.4%。因此，D-SPES-PH-PEO电解质对Li金属的稳定作用得到了直观的反映。D-SPES-PH-PEO电解质构成的Li/Li对称电池能够在0.2 mAh cm^-2下稳定循环2500小时。

图4 复合固态电解质构建的对称电池的循环性能

要点四：优异的软包电池性能

为了验证D-SPES-PH-PEO电解质在商业应用中的实用价值，制备并测试了LiFePO₄/D-SPES-PH-PEO/Li软包电池。如图5a所示，LiFePO₄/Li软包电池在0.1 C和60 ℃下实现了200次的稳定循环，容量保持率为95%。软包电池的初始比容量为146.7mAh g^-1，库伦效率为 98.97%。

图5 复合固态电解质组装成的软包电池性能

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文章链接

Dual functional composite solid electrolyte constructed by double-layer sulfonated polyethersulfone (SPES)/poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) nanofiber membrane in high-performance all-solid-state lithium metal batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153448

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通讯作者简介

蔡光明，武汉纺织大学纺织科学与工程学院教授，硕士生导师。主要从事功能纤维材料及制品的教学和科研工作，研究方向包括功能及智能纺织结构材料的成型及应用研究。主持完成包括国家自然科学基金、湖北省自然科学基金等科研项目10余项。在国内外期刊发表论文60篇，其中以第一作者或者通讯作者在AFM, SmartMat, CEJ等期刊上发表SCI论文50篇。授权国家发明专利10项。曾获桑麻奖教金，湖北省技术发明二等奖、中国纺织工业联合会技术进步二等奖、湖北省奖学成果特等奖等奖项。

康卫民, 天津工业大学纺织科学与工程学院教授、博士生导师，中国纺织学术带头人、天津市中青年科技领军人才、全国纺织青年科技创新领军人才、天津市“131”创新型人才培养工程第一层次人选、天津市创新能手、天津市优秀科技工作者。康卫民教授长期从事纳微纤维材料理论研究、制备技术及应用开发，先后主持或参与国家级项目12项，天津市和企业项目20余项，研究成果荣获国家科技进步奖二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项、二等奖4项。

杨琪，武汉纺织大学纺织科学与工程学院讲师，主要从事于微纳纤维在复合固态电解质中的改性研究及其在固态锂电池中的应用。在锂硫电池、固态电池等电池技术方面取得了一些研究成果。以第一作者或通讯作者在Small、CEJ、JMCA等期刊发表论文9篇。