北航李彬JMCA：弹性且阻燃的聚合物电解质

第一作者：张大山

通讯作者：李彬*

单位：北京航空航天大学

与无机固体电解质相比，聚合物固态电解质由于出色的加工性能、柔韧性以及与电极的良好界面接触，已成为固态锂金属电池中最有前途的锂离子导体之一。尽管大多数固态聚合物电解质有很高的柔韧性，有利于减少接触界面阻抗，但不能适应锂金属负极在循环过程中的体积变化。

近来，弹性聚合物电解质已经被用来减轻锂金属负极循环中的体积变化，例如由丁腈橡胶（NBR）基体制备的弹性聚合物电解质。然而，其机械强度和离子电导率仍然很低，且NBR基聚合物电解质仍然有燃烧的危险。

来自北京航空航天大学的李彬副教授及其合作者，在期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Triallyl cyanurate copolymerization delivered nonflammable and fast ion conduction elastic polymer electrolyte”的研究论文。

该文章通过引入三聚氰酸三烯丙酯（TAC）作为交联剂，采用硫化丁腈橡胶基体，经过高温固化制备了一种阻燃、弹性和锂离子快速传导的NBR基聚合物电解质（v-NBR/TAC/IL）。电解质表现出了很好的机械性能，拉伸强度达到0.52MPa，断裂伸长率超过160%。而且在交联剂和增塑剂的帮助下，室温下离子电导率高达1.8×10^-4 S cm^-1。三聚氰酸三烯丙酯的作用如下：

1. TAC的C=C键与聚合物基体进行交联，起到硫化加速剂的作用，进一步提高了电解质的力学性能；

2. TAC的三嗪环点燃时会释放惰性阻燃气体，可作为阻燃剂抑制聚合物电解质的燃烧；

3. TAC的大量电负性氮原子促进锂盐解离，从而加速锂离子的传输。

因此，采用v-NBR/TAC/IL电解质的对称锂电池表现出了长达1500小时的循环，并且组装的LiFePO₄全电池也显示出了132.6 mAh g^-1的高比容量和250次以上的长循环寿命。

图1. v-NBR/TAC/IL电解质膜的合成示意图和表征。（a）v-NBR/TAC/IL电解质膜合成中的主要物质。（b）v-NBR/TAC/IL电解质膜横截面的SEM图像和相应的C、N、S元素的EDS图谱。（c）NBR、TAC、IL和v-NBR/TAC/IL电解质的FTIR光谱。（d）电解质的的应力-应变曲线。

图2. v-NBR/TAC/IL电解质的阻燃性能。（a）v-NBR/TAC/IL和v-NBR电解质膜的燃烧试验。（b）TAC不同含量的v-NBR/TAC/IL电解质的SET。（c）电解质在空气中的DTG曲线。（d）v-NBR/TAC/IL 电解质的阻燃机理。

图3. v-NBR/TAC/IL电解质的电化学性能。（a）电解质的DSC曲线。（b）电解质的离子电导率。（c）v-NBR/TAC/IL和v-NBR电解质的7Li NMR光谱。（d）电解质的LSV曲线。（d） 锂离子在v-NBR/TAC/IL电解质中的传导示意图。

图4. 组装的锂对称电池的电化学性能。（a）锂电镀/剥离循环测试，相应的（b）使用v-NBR/TAC/IL电解质的对称电池的EIS图。（c）锂对称电池的倍率性能，相应的（d） 循环后金属锂负极截面SEM。

图5. 组装的Li-LiFeO₄全电池电化学性能。（a）全电池在0.5C下的循环性能。（b）充放电电压曲线以及（c）不同倍率下的倍率性能。（d）软包电池在不同状态下的照片。

通过三聚氰酸三烯丙酯的共同硫化作用，基于硫化丁腈橡胶制备了一种阻燃、弹性和锂离子快速传导的橡胶基聚合物电解质。

所制备的v-NBR/TAC/IL固态电解质具有良好的阻燃性和高的弹性。

此外，该电解质在室温下表现出1.8×10^-4 S cm^-1的高离子电导率，使用橡胶基电解质的电池既有长期的稳定性，又有高的倍率性能。

鉴于硫化促进剂和功能分子的丰富种类和不同结构，这种共硫化的方法可以用来探索具有阻燃性、耐低温性、耐高温性和亲锂性的功能性橡胶基电解质来用于安全性锂金属电池。

Triallyl cyanurate copolymerization delivered nonflammable and fast ion conduction elastic polymer electrolyte

投稿请联系contact@scimaterials.cn