哈尔滨工业大学CEJ：原位构筑聚VEC基双盐凝胶聚合物电解质助力高电压锂金属电池- 大数跨境

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哈尔滨工业大学CEJ：原位构筑聚VEC基双盐凝胶聚合物电解质助力高电压锂金属电池

科学材料站

2022-03-18

导读：本文原位聚合技术构筑聚碳酸亚乙烯酯（VEC）基双盐（LiTFSI-LiBOB）凝胶聚合物电解质

文章信息

原位构筑聚VEC基双盐凝胶聚合物电解质助力高电压锂金属电池

第一作者：周庆洁

通讯作者：付传凯*，左朋建*

单位：哈尔滨工业大学电化学工程系

研究背景

锂金属负极具有极高的理论比容量（3860 mAh g^-1）、最低的电化学电位（-3.04 V vs.标准氢电极）和低密度（0.53 g cm^-3），锂金属负极匹配高电压正极材料，电池能量密度显著高于当前商业化锂离子电池，已成为下一代高能量密度锂离子电池的热点研究方向。然而，液态电解质中，不可避免的锂枝晶的生长带来的热失控风险成为锂金属电池面临的重大瓶颈问题。

固态电解质的使用可以有效提升锂金属电池的安全性，但是固态电解质的室温离子电导率、电化学窗口以及界面润湿性和稳定性还不够理想。

基于此，本文原位聚合技术构筑聚碳酸亚乙烯酯（VEC）基双盐（LiTFSI-LiBOB）凝胶聚合物电解质（GPE）, 通过AIBN原位热引发VEC与季戊四醇四丙烯酸酯（PETEA）单体发生聚合，得到VEC基双盐GPE，该电解质在室温下的离子电导率为6.9 × 10^-3 S cm^-1，电化学氧化电位达到5.3 V (vs. Li/Li⁺)。

将其应用于高电压LiCoO₂正极LMBs，电池在3.0-4.4 V的充放电电压区间内1C倍率循环100 次容量保持率为83.42 %, 平均库伦效率达到99.9 %

图1. 电解质的设计示意图及电解质各组分的LUMO和HOMO能量值

本文要点

要点一：原位构筑聚VEC基凝胶聚合物电解质

碳酸亚乙烯酯（VEC）具有高的介电常数，对锂盐具有出色的溶解能力。同时VEC中的羰基（-OC=OO-）具有更低的最高占据分子轨道(HOMO) 能级，具有更高的抗氧化性。

要点二：LiTFSI-LiBOB双锂盐耦合

磺酰亚胺基锂盐LiTFSI具有优异的溶解性和热稳定性，在聚合物电解质中得到广泛应用；但其在高电压下会发生对正极集流体铝箔的电化学腐蚀。硼基锂盐LiBOB的加入不仅能够有效的抑制LiTFSI对铝箔的腐蚀，同时可以在正负极形成高稳定性的固态电解质界面膜，提高电极/电解质界面稳定性和电池电化学性能。

要点三：总结与展望

从实用的角度来看，高电压固态电解质的研究仍然有限，聚碳酸酯类电解质表现出更高的电化学稳定窗口，且无定形特质使其在常温下也得以运行，这也是未来研究的一个潜在方向。

文章链接

“Poly (vinyl ethylene carbonate)-based dual-salt gel polymer electrolyte enabling high voltage lithium metal batteries”

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135419

通讯作者简介

左朋建 教授

哈尔滨工业大学教授、博士生导师，“龙江学者”青年学者。研究方向为动力与储能电池、新型轻金属电池关键材料与器件。主持参与国家基金重点和面上项目、国家重点研发计划、民用航天、省应用技术研发计划重大项目等。以第一发明人获授权发明专利近20项。获国家科技进步二等奖1项、省科技一等奖2项、省科技二等奖1项。

在《Science》、《J. Am. Chem. Soc》《Adv. Energy Mater.》《Adv. Funct. Mater.》《Nano Energy》《Energy Storage Materials》《Chemical Engineering Journal》等杂志发表SCI论文100余篇，H指数42，参编《化学电源》和《电池辞典》等著作。

付传凯 博士

哈尔滨工业大学，师资博士后/讲师。研究方向为固态锂电池、锂金属负极。主持哈尔滨工业大学师资博士后科研启动基金、黑龙江省博士后面上基金，参与国家自然科学基金面上、广东省重点领域研发计划专项、黑龙江省优秀青年基金、哈尔滨工业大学前沿探索基金等课题。发表SCI论文10余篇，申请国家和国际发明专利20余项。