文 章 信 息
凝胶聚合物电解质的结构设计提高锂电池界面稳定性
第一作者:张善铭
通讯作者:余凤,陈永
研 究 背 景
在锂金属电池中,电解质作为与锂金属直接接触的成分,它们所产生的电极/电解质界面的性质与电解质的成分密切相关,同时对于锂金属的稳定性有着很大的影响。然而,传统的液态有机电解质电压窗口低,热稳定性差,不利于锂金属电池的应用。近年来,凝胶电解质已成为研究的焦点,其具有相对液态电解质较高的电压窗口,较强的机械性能,同时又拥有比全固态电解质更优异的离子电导率。
锂离子溶剂化结构对于电极/电解质界面结构及组成影响深远。然而,目前大多数研究都关注与新型凝胶电解质的开发,然而对凝胶电解质LE相的研究较少。相比纯液态电极液和固态电解质,复合凝胶电解质中多组分的相互作用会导致锂离子的配位环境相对复杂,这从而会影响到负极电解质界面生成及性能,因此对复合凝胶电解质中的锂离子传输行为和溶剂化结构研究是非常必要的。
文 章 简 介
近日,海南大学海南大学余凤副教授和佛山科学技术陈永教授合作,在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A composite gel polymer electrolyte by incorporating modified POSS endowing inorganic-rich SEI formation and stable cycle life for lithium metal batteries”的文章。
作者通过在改性纤维素中共混PEG 改性的 POSS,制备了具有良好锂离子溶剂化结构的复合凝胶聚合物电解质。改性POSS的引入不仅增强了GPE的结构强度,而且诱导了以SSIPs/CIPs和AGGs为主的Li溶剂化鞘结构的形成。锂离子良好的溶剂化结构有利于生成稳定的富含LiF的SEI来抵抗锂枝晶,提高GPE的抗氧化能力和LMB的循环性能。该工作研究了有机/无机复合凝胶电解质(改性POSS/纤维素基凝胶电解质)体系下的锂离子传输行为及其对锂金属电池负极界面的影响,为有机-无机复合凝胶电解质的研究提供了有价值的思路。
文 章 要 点
要点一:克服纳米颗粒在有机基体中的积聚现象
无机POSS经过化学改性后,可以避免其在凝胶电解质体系中的团聚问题,提高POSS与凝胶聚合物之间的相容性,提高电解质的均匀性与力学稳定性。
Figure 1. (a) Schematic diagram of modification of POSS. (b) FTIR spectra of POSS, PEG and PEG-modified POSS. (c) XRD patterns of POSS and PEG-modified POSS. (d) Nuclear magnetic resonance hydrogen spectra of POSS-PEG-3 in DMSO-d6.
Figure 2. Dispersed characterization of unmodified and modified POSS. i) physical photographs, ii) SEM images, iii) elemental mapping of carbon and iv) elemental mapping of silicon for CP (a), CPP-1 (b), CPP-2 (c) and CPP-3 (d), respectively. (e) Two-dimensional (2D) Raman images of the CP (i), CPP-1 (ii), CPP-2 (iii) and CPP-3 (iv).
要点二:改性POSS对溶剂化结构的调控
无机POSS的添加对凝胶电解质的溶剂化结构有着显著影响,研究发现,添加了改性POSS后的凝胶电解质,其SSIPs/CIPs和AGGs溶剂化结构占比由32.3%提高到62.1%。几乎提高了一倍,而这些溶剂化结构占比越高,越有利于LiF界面稳定层的形成,XPS数据充分验证了此结论。此溶剂化结构对锂电池的界面稳定性有着至关重要的作用,凝胶电解质的耐氧化能力也有显著提高。
Figure 3. MD simulation snapshots of (a) LE and (b) LE with modified POSS addition. The RDF g(r) and coordination numbers n(r) were calculated through MD simulations for two systems: (c) LE and (d) LE with modified POSS. Raman spectra and the proportion of free TFSI−, SSIPs/CIPs and AGGs in the CPP-0 (e), CPP-1 (f), CPP-2 (g) and CPP-3 (h) GPE systems. (i)-(j) Schematic representation of dominated Li+ solvated structures in GPE (CPP-0) and composite GPE (CPP-2) system respectively.
Figure 4. (a) LSV curves of different electrolytes at a scan rate of 1 mV s−1. (b) Theoretical calculation of LUMO and HOMO values for different solvents and solvated structures.
要点三:电池性能及机理分析
聚焦复合凝胶电解质中锂离子溶剂化结构,探究了结构和性能之间的关系。在最优的改性POSS负载量和改性纤维素的组成下,CPP-2实现了衍生的富LiF界面层,提升了半电池及对称电池的锂离子传输可逆性。基于此,优化了锂金属-磷酸铁锂全电池负极的稳定性。
Figure 5. Cycling performances of Li||Li symmetric cells assembled with different gel polymer electrolytes. (a) Operating with a current density of 0.05 mA cm−2, (b) Operating with a current density of 0.1 mA cm−2.
Figure 6. Compositional and structural analyses of SEI layer. XPS spectra of interfacial constituent elements from the cyclic electrodes (C1s, Li1s, O1s and F1s) of the Li||Li symmetric cells assembled with CPP-0, 1, 2, and 3, respectively.
Figure 7. Schematic representation of anode SEI layer formation mechanism in CPP-0, CPP-2 and CPP-3 samples.
Figure 8. Electrochemical performances of Li|| LiFePO4 coin cells assemble with different GPE. (a) Rate performances of Li|| LiFePO4 coin cells and galvanostatic charge/discharge plots of (b) CPP-0-based and (c) CPP-2 based Li|| LiFePO4 coin cell at different rates. (d) Cycling performances of Li|| LiFePO4 coin cells at 0.2 C. (e) Cycling performances of Li|| LiFePO4 coin cells at 0.5C.
文 章 链 接
A composite gel polymer electrolyte by incorporating modified POSS endowing inorganic-rich SEI formation and stable cycle life for lithium metal batteries.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149499.
通 讯 作 者 简 介
余凤,海南大学副教授,硕士研究生导师、博士研究生导师。海南省拔尖人才。华南理工大学硕士、博士毕业。从事高分子材料的结构与性能研究和高分子凝胶的功能化设计及其在能源存储中的应用研究。研究论文发表在Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal, Journal of Membrane Science, ACS applied materials interfaces, Journal of Power Source, Polymer chemistry,ACS Macro Letters, Journal of material chemistry B等国际期刊上。论文被引次数超1000次。申请国家发明专利7项,授权国家发明专利3项,主持国家自然科学基金项目2项以及海南省自然科学基金高层次人才项目1项,海南省重点研发项目1项,并参与多项其他课题。
陈永,佛山科学技术学院教授/博导,博士毕业于中国科学院金属所材料科学国家实验室。中国硅酸盐学会固态离子学分会理事;海南省博士协会工学专业委员会主任。海南省“515人才”和第八届海南省青年科技奖获得者;担任Journal of Materials Chemistry A, Carbon, Energy Storage Materials, Electrochimica Acta, Journal Power Source等国际期刊的审稿人;曾在日本国立产业技术综合研究所和美国中佛罗里达大学从事锂离子电池材料研究。目前研究主要集中在新型储能材料,包括锂硫电池、锂空气电池、锂离子电池和超级电容器的研究。发表论文140余篇,SCI/EI收录80余篇(其中JCR一区18篇),发表刊物有Energy & Environmental Science, Green Chemistry, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces, Carbon, ACS Nano等。主持国家自然基金,省创新团队、重点项目和国际合作项目等20余项,申请专利15项,主编书籍教材三部。研究成果获得海南省科学技术一等奖和三等奖2项。并多次获得海南省高校优秀科研成果奖、自然科学优秀学术论文奖和吴多泰博士科研成果奖。
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