同济大学杨正龙课题组CEJ：用于稳定循环固态锂离子电池的聚酯增强聚(环状碳酸酯-氟化物)基聚合物电解质的研究

第一作者：徐达

通迅作者：杨正龙

单位：同济大学材料科学与工程学院

近年来，随着便携式电子产品和电动汽车应用的日益增长，以锂离子电池为代表的可移动储能设备有了飞速的发展并得到广泛应用。但目前商用的液体电解质由于易泄露、易自燃等安全隐患，以及电池循环寿命不足等性能问题严重阻碍了锂金属电池的发展，解决这些问题的一个重要的思路是固态电解质。聚合物固态电解质以其优异的可加工性和良好的电极界面相容性成为构建固态锂离子电池的有前景的材料之一。然而，其有限的电化学性能和机械强度限制了其广泛应用。

本工作通过采用原位热固化方法，利用富含极性基团的聚酯隔膜作为增强骨架，成功制备了一种聚环状碳酸酯-氟基固态电解质。在固体聚合物电解质中引入离子液体（IL）不仅可以提高聚合物链段的运动能力，以提高离子电导率，而且还与三氟甲基的协同作用，促进锂盐解离的同时限制锂盐阴离子的迁移。此外，二者与锂金属阳极反应生成富含LiF的SEI层调节锂枝晶的沉积。最终得到的31VPIF/OZ表现出卓越的离子电导率（25℃时为3.58×10^-4 S cm^-1）、锂离子迁移数（0.52）和电化学窗口（5.4 V）。Li | 31VPIF/OZ | Li电池在0.1mA cm^-2的条件下循环1000小时而不发生短路。尤为重要的是，Li | 31VPIF/OZ | LFP电池在室温以0.5C循环600圈后，展现出91.5%的高容量保持率。因此，通过聚合物结构设计与填料的协同作用，本工作成功实现了固态锂离子电池的稳定循环，为其在可再充电锂离子电池领域的应用提供了有力的支持。成果以“Polyester-enhanced poly (cyclic carbonate-fluoride)-based polymer electrolyte for stable circulating solid lithium batteries”发表在Chemical Engineering Journal期刊上。

隔膜作为阴极和阳极之间的屏障，在锂电池中扮演着重要的角色，同时也是固态电解质中优秀的增强骨架候选之一。陶瓷涂覆聚酯隔膜(OZ)展现出卓越的性能，包括良好的机械强度、高孔隙率、出色的耐化学性和电子绝缘性,同时其表面丰富的极性基团有利于聚合物前驱体的浸润，使其拥有成为固态电解质优秀增强骨架的潜力（图1）。

离子液体（IL）被视为一种新型增塑剂，具有优异的电化学稳定性、热稳定性和不可燃性。将IL作为增塑剂引入到SPE有助于降低SPE的玻璃化转变温度（Tg）和结晶度，从而有效提高整体离子电导率。但也需要考虑到IL含量对Li⁺传导的双重影响，即含量较低时可以促进锂盐的解离提高Li⁺的传导，但含量过多时会生成离子对阻碍离子的传导（图2）。

三氟甲基官能团的引入不仅可以促进锂盐的解离，也限制阴离子的迁移，并与IL协同作用提高锂离子迁移数。同时得益于高化学稳定性的IL和耐高压的含氟基团，电化学窗口也有很大的提升。此外，三氟甲基与锂金属阳极反应生成富含LiF的SEI层，优化了SPE与锂金属阳极的界面稳定性，有利于电池的稳定长循环（图3）。

同济大学材料科学与工程学院高分子材料系硕士研究生徐达为论文的第一作者，杨正龙教授为唯一通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划资助。