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武漢理工劉金平教授團隊《Adv. Mater.》：含填料復合聚合物電解質的研究進展
2022-08-16  來源：高分子科技

  聚合物電解質是常見的固態(tài)電解質之一，其通常比氧化物、硫化物等固態(tài)電解質有更優(yōu)異的柔韌性、易于制備、更易形成緊密的電極/電解質界面。遺憾的是，聚合物電解質一般離子電導率偏低，穩(wěn)定電位窗口不夠寬，機械強度和熱穩(wěn)定性也均有待進一步提高。將填料引入到聚合物電解質中形成復合聚合物電解質，填料表面的羥基及其它特征官能團、氧空位等可提供路易斯酸位與聚合物鏈上的路易斯堿位或鋰鹽形成相互作用，從而改變聚合物的結晶度、增加自由鋰離子濃度、改善聚合物穩(wěn)定性、增強聚合物的機械模量等，有望解決以上離子電導率低等關鍵問題；近年來，此領域的研究取得了重要的進展。


  近日，武漢理工大學劉金平教授團隊在國際材料頂級期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為“Filler-Integrated Composite Polymer Electrolyte for Solid-State Lithium Batteries”的綜述論文，全面介紹了復合聚合物電解質中鋰離子傳導機制、填料的類別、填料-聚合物界面設計策略、填料促進的電極/聚合物電解質界面優(yōu)化設計原理等，為復合聚合物電解質在固態(tài)鋰電池領域的實際應用提供了新參考（圖1）。 


圖1： 復合聚合物電解質研究進展概況示意圖


  首先，文章簡要介紹了常見的3類填料，主要包括：1）非活性填料SiO2, Al2O3, Mo2C等；2）活性填料Li0.33La0.557TiO3 (LLTO), Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12 (LLZTO)等；3）新型功能性填料氧化石墨烯GO、金屬有機框架材料MOF、h-BN、二維黏土等。上述填料增強鋰離子電導率通常存在4種可能的機理：1）與聚合物鏈形成相互作用以降低玻璃化轉變溫度Tg，同時減小聚合物的結晶度、增強聚合物鏈段的蠕變能力；2）與鋰鹽相互作用以促進鋰鹽的解離、增加自由鋰離子的濃度；3）通過表面官能團與鋰離子和聚合物配位，以減弱鋰離子與聚合物的相互作用、降低鋰離子傳輸?shù)哪軌荆?）通過填料-聚合物界面相或者活性填料的充分逾滲形成新的鋰離子傳輸路徑。


  其次，討論了填料的尺寸、加入量（濃度）對填料-聚合物界面設計的重要性；特別是探討了3種填料復合技術、優(yōu)勢與設計原則：1）原位復合技術；2）1D納米線填料復合；3）設計3D連續(xù)填料結構。并強調了通過在聚合物電解質制備過程中引入特殊功能性填料，在電池工作時原位形成電極/電解質界面相SEI或CEI（傳導離子、絕緣電子），可以非常有效地提升界面穩(wěn)定性，減小界面阻抗，讓固態(tài)電池高效穩(wěn)定工作，此為當前復合聚合物電解質領域的研究熱點之一。 


圖2： 未來復合聚合物電解質的潛在研究方向


  在文章最后作者指出，未來要滿足復合聚合物電解質在實際固態(tài)鋰電池中的應用，需同時具備高的鋰離子電導率（≥10-3 S cm-1）、寬的穩(wěn)定電位窗口（~5V）、優(yōu)異的機械性能和良好的界面結合能力。以下幾個方面將是未來的重要研究方向（圖2）：1）利用先進的表征技術深入分析復合電解質中鋰離子的傳導機制，以建立牢固的高性能復合固態(tài)電解質和固態(tài)電池設計所需的研究基礎；2）最大程度優(yōu)化填料-聚合物界面，以防止填料的團聚、同時形成充分逾滲的離子傳輸網絡通道；3）發(fā)展新型（如交聯(lián)）聚合物基體，以促進與填料的路易斯酸堿作用，提高鋰離子傳導和聚合物電解質的穩(wěn)定電化學窗口；4）開發(fā)特征功能填料，促進電極/電解質界面原位生成SEI和CEI；提高復合電解質的粘附性、親鋰性和機械模量，以增強界面接觸、抑制金屬鋰枝晶的生長。


  論文信息：

  Filler-Integrated Composite Polymer Electrolyte for Solid-State Lithium Batteries

  Shuailei Liu, Wenyi Liu, Deliang Ba, Yongzhi Zhao, Yihua Ye, Yuanyuan Li,* and Jinping Liu*

  Advanced Materials

  DOI: 10.1002/adma.202110423


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110423 

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（責任編輯：xu）
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