华中科大谢佳教授，JMCA：原位制备“盐包聚合物”型电解质用于高电压锂金属电池- 大数跨境

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华中科大谢佳教授，JMCA：原位制备“盐包聚合物”型电解质用于高电压锂金属电池

科学材料站

2022-05-03

导读：本文结合原位聚合技术和“盐包聚合物”型聚合物电解质的优点

文章信息

原位制备“盐包聚合物”型电解质用于高电压锂金属电池

第一作者：孙孟君

通讯作者：谢佳*，曾子琪*

单位：华中科技大学

研究背景

聚合物电解质具有高的柔韧性和良好的可加工性，因此有望用于构建高安全的固态电池。通常情况下，聚合物电解质主要是将锂盐溶解到聚合物基质中制备得到的，当锂盐含量超过50 wt%时，称为“盐包聚合物”型电解质(“polymer-in-salt” electrolyte, PISE)，提高锂盐含量可以增加聚合物的无定形区域，进而提高电解质的离子电导率；此外，聚集的锂盐阴离子可以形成离子团簇，为锂离子的输运提供传输通道。

然而，PISE多采用溶液浇铸法制备，该制备过程会使用大量的有机溶剂，从而出现溶剂残留、界面接触差等问题。在电池内部原位制备聚合物电解质不仅避免了溶剂的使用、提高了电极/电解质界面接触，还可以提高正极的活性物质的利用率。

文章简介

本文中，来自华中科技大学的曾子琪博士和谢佳教授，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“In-situ prepared “polymer-in-salt” electrolytes enabling high-voltage lithium metal battery”的文章。在该工作中，作者结合原位聚合技术和“盐包聚合物”型聚合物电解质的优点，采用共聚的方法原位制备了聚（己内酯−丙交酯）基（PCA）“盐包聚合物”型电解质（PISE）。PISE与高电压正极和锂金属电池负极均具有良好的兼容性。

本文要点

要点一：原位制备聚（己内酯−丙交酯）及“盐包聚合物”型电解质

图1. 己内酯单体、丙交酯单体和聚（己内酯-丙交酯）及PISE的物理化学性质

¹H NMR和FTIR结果表明，聚（己内酯-丙交酯）成功制备。XRD与DSC结果表明，PISE结果具有完全无定形的结构。

要点二：“盐包聚合物”型电解质具有良好的电化学性能

图2. 原位制备的PCA基电解质和PCL基电解质在不同温度下的电化学性能

PISE具有高离子电导率（8.9 × 10⁻⁵ mS cm⁻¹, 30 °C）和迁移数（0.6, 30 °C）及宽的电化学窗口（5.0 V, vs Li/Li⁺）。

要点三：“盐包聚合物”型电解质与锂金属负极具有良好的兼容性

图3. PISE与锂金属负极的兼容性及循环后负极的表面和电解质界面表征

PISE基Li/Li对称电池可以在30 °C下稳定循环1000小时，而PCA-PE1基Li/Li对称电池在30 °C下的过电位甚至超过了2 V。因此，PISE与锂金属负极具有更好的兼容性。

要点四：“盐包聚合物”型电解质与高电压正极具有良好的兼容性

图4. PISE基锂金属电池在室温下的循环性能

PISE基锂金属电池的倍率性能和循环性能明显优于PCA-PE1基电池，表明PISE电与高电压正极具有更好的兼容性。

要点五：NCM622正极循环后形成了稳定的CEI

图5. 循环后正极电解质界面表征

NCM622/Li电池在PISE中循环后，NCM622正极表面形成了薄的、稳定的正极电解质界面（CEI）。

文章链接

In-situ prepared “polymer-in-salt” electrolytes enabling high-voltage lithium metal battery

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta00093h

通讯作者简介

谢佳教授

华中科技大学教授、博士生导师，国家重点基础研究计划（青年973计划）项目“高比能二次锂硫电池界面问题基础研究”首席科学家。2002年于北京大学化学与分子工程学院获学士学位；2008年于斯坦福大学化学系获博士学位；2008-2012年美国陶氏化学任资深研究员；2012年初回国，担任合肥国轩高科研究院院长，从事动力锂离子电池研发及产业化工作；2015年担任华中科技大学教授。近年来在动力电池及电池关键材料、储能及新能源汽车领域等方面取得了原创性成果。在 Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater. 等国际期刊发表论文100余篇，获专利授权60余项，其中发明专利35项。

曾子琪博士

华中科技大学电气学院讲师。2018年于武汉大学化学与分子科学学院获博士学位，师从曹余良教授。长期从事电化学储能技术及功能性电解质材料的研究开发工作，重点关注电解液组成、结构与界面之间的构效关系。在Nature energy 、ACS Energy Letters 、Advanced Functional Materials 等国际顶级期刊发表论文30余篇。

第一作者介绍

孙孟君华中科技大学材料科学与工程学院19级博士生，导师为谢佳教授，研究方向为聚合物基固态锂金属电池。目前以第一作者身份发表SCI论文4篇。