電化學(xué)能源公眾號(hào)/材料科學(xué)站公眾號(hào)
PEO基聚合物-in-塑晶電解質(zhì)用于室溫高電壓鋰金屬電池
第一作者：劉玉龍
通訊作者：劉玉龍*，孫學(xué)良*，謝海明*，
單位：東北師范大學(xué)，加拿大西安大略大學(xué)
近日，東北師范大學(xué)謝海明教授/劉玉龍副教授課題組與加拿大西安大略大學(xué)的孫學(xué)良教授合作，在國(guó)際知名期刊Nano Energy (影響因子：16.8) 上發(fā)表題為“PEO based polymer
in plastic crystal electrolytes for room temperature high-voltage lithium metal
batteries”的研究工作。
該工作設(shè)計(jì)了一種新型的PEO基polymer in plastic crystal electrolyte (PIPCE)電解質(zhì)。利用分子工程設(shè)計(jì)，獲得了抗氧化、電導(dǎo)率高的PEO基電解質(zhì)。其原因是由于TFSI陰離子的固定、EO分子中的孤對(duì)電子效應(yīng)和SN-PEO-FEC的共溶劑效應(yīng)。鋰對(duì)稱電池測(cè)試表明，鋰沉積量為1 mA h cm-2，電解質(zhì)可穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)700 h。在Li//NMC 全電池測(cè)試中，放電容量可高達(dá)169 mAh g-1，穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)120圈仍然保持80%的容量。通過(guò)界面組分分析發(fā)現(xiàn)，CEI膜和SEI膜的化學(xué)成分穩(wěn)定，從而獲得了優(yōu)異的電化學(xué)性能。
圖1. 新型電解質(zhì)的作用機(jī)理以及界面高穩(wěn)定性的原因
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)一： 新型PEO基PIPCE電解質(zhì)的電性能
通過(guò)簡(jiǎn)單的共融合成了新型電解質(zhì)，并將其融入PE基隔膜中。通過(guò)一系列的測(cè)試手段表征了不同PEO含量的PIPCE電解質(zhì)的特性，其中15% PEO PIPEC電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率大于0.1 mS/cm，氧化電位為4.97 V。 所制備的固態(tài)電解質(zhì)具有高的熱穩(wěn)定性，明火測(cè)試表明電解質(zhì)不燃燒。
圖2. 不同PEO含量的PIPCE電解質(zhì)的電性能
要點(diǎn)二： 鋰對(duì)稱電池長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性
其次，本文結(jié)果證明了1 mAh cm-1的條件下，鋰對(duì)稱電池仍然能保持700 h的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性，表明PIPCE基電解質(zhì)對(duì)鋰金屬的穩(wěn)定性好。
圖3. 不同PEO含量的PIPCE電解質(zhì)的對(duì)稱電池測(cè)試性能
要點(diǎn)三： Li-NMC532全電池電化學(xué)性能
使用這種電解質(zhì)組裝的 Li || LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。截止電壓為4.4 V時(shí)，循環(huán)120圈并保持80%的容量。
圖4. 不同PEO含量的PIPCE電解質(zhì)的全電池測(cè)試性能
要點(diǎn)四： Li/PIPCE 和 PIPCE/NMC
532 的界面組分分析
界面組分分析表明，優(yōu)異的電化學(xué)性能來(lái)源于高穩(wěn)定性的CEI膜和SEI膜的形成。鋰表面的氟化物和氮化物可構(gòu)成穩(wěn)定的SEI膜，正極表面的致密膜可阻礙副反應(yīng)的發(fā)生。
圖5. Li/PIPCE 和 PIPCE/NMC 532 的界面組分分析
結(jié)論
在本工作中，開發(fā)了一種PIPCE的策略來(lái)獲得電化學(xué)窗口寬的電解質(zhì)用于鋰金屬電池中。由于分子間的相互作用，可以將15% PEO PIPCE的氧化電位提高到4.97 V。該電解質(zhì)同時(shí)具有優(yōu)異的熱力學(xué)性能。電化學(xué)測(cè)試表明，使用該電解質(zhì)時(shí)，對(duì)稱電池經(jīng)過(guò)700 h 循環(huán)仍然不會(huì)短路。利用NMC532 作為正極材料，即便是在截止電壓為4.4 V高壓的情況下，仍然可循環(huán)120圈并保持80%的容量。
文章鏈接
PEO based Polymer in Plastic Crystal
Electrolytes for Room Temperature High-Voltage Lithium Metal Batteries https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106205
劉玉龍，副教授，碩士生導(dǎo)師
目前就職于東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院。隸屬于東北師范大學(xué)動(dòng)力電池國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，主要從事鋰離子電池和固態(tài)鋰電池的研究。2013年獲得中南大學(xué)碩士學(xué)位后進(jìn)入加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良院士課題組從事鋰電池相關(guān)研究。2018年博士畢業(yè)后，留組繼續(xù)從事博士后研究工作。研究合作單位包括加拿大莊信萬(wàn)豐公司（前著名的Phostech公司，具有LiFePO4化學(xué)結(jié)構(gòu)和碳包覆的全球?qū)＠袡?quán)）和中國(guó)國(guó)聯(lián)動(dòng)力電池研究中心(隸屬于北京有色金屬研究總院，動(dòng)力電池國(guó)家隊(duì)), 以及加拿大唯一固態(tài)電池研發(fā)初創(chuàng)公司（GLABAT Solid-state Battery
Inc.，由孫學(xué)良院士領(lǐng)銜的科學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)）。目前已經(jīng)在Nature communication，Adv. Mater.，Nano Energy，AEM, ESM, ACS energy
letters等高水平期刊發(fā)表專業(yè)論文多篇。
孫學(xué)良
教授
加拿大皇家科學(xué)院院士，加拿大工程院院士，加拿大納米能源材料首席科學(xué)家（Tier I），加拿大西安大略大學(xué)終身教授。孫教授于1999年在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)獲得博士學(xué)位，1999-2001于加拿大哥倫比亞大學(xué)從事博士后研究，2001-2004在魁北克科學(xué)與工程研究院從事助理研究員工作；現(xiàn)任國(guó)際能源科學(xué)院的副主席，Electrochemical Energy Review（EER）的主編和Frontier of Energy
Storage的副主編。
孫院士的主要研究方向是納米能源結(jié)構(gòu)材料在能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化，重點(diǎn)從事燃料電池和全固態(tài)鋰電池，鋰離子電池的研究和應(yīng)用。已發(fā)表超過(guò)540篇SCI科學(xué)論文，其中包括Nat. Energy, Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am.
Chem. Soc., Angew. Chem., Accounts Chem. Res., Energy Environ. Sci., 等高水平雜志。
謝海明，現(xiàn)任東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院功能材料化學(xué)研究所教授
動(dòng)力電池國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室主任。十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源車專家組專家；物理化學(xué)學(xué)科帶頭人PI；化學(xué)學(xué)院教授委員會(huì)委員；吉林省長(zhǎng)白山學(xué)者，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，吉林省首批學(xué)科領(lǐng)軍教授，首批東師仿吾青年學(xué)者，首批東師學(xué)者，全國(guó)優(yōu)秀博士畢業(yè)學(xué)位論文提名獎(jiǎng)，獲得2014年吉林省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)先進(jìn)集體，2011年長(zhǎng)春市五一勞動(dòng)獎(jiǎng)狀，2011年吉林省最佳經(jīng)濟(jì)技術(shù)創(chuàng)新能手稱號(hào)。
多年來(lái)潛心研究鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空電池以及各類電池新型材料，包括磷酸亞鐵鋰材料、磷酸釩鋰、鈦酸鋰、耐高溫隔膜、不燃電解液、磷酸鐵鋰動(dòng)力電池、超低溫鋰離子動(dòng)力電池等；近年來(lái)同加拿大魁北克水電研究院、法國(guó)巴黎第六大學(xué)等科學(xué)家合作開發(fā)高安全高能量密度的全固態(tài)鋰電池，在鋰離子動(dòng)力電池及其材料領(lǐng)域具有較深的研究；多年來(lái)一直以產(chǎn)學(xué)研方式同企業(yè)緊密合作，先后建立了“遼源市鴻圖鋰電隔膜科技股份有限公司”、“吉林中聚新能源股份有限公司”、“營(yíng)口航盛科技實(shí)業(yè)有限公司”、 “長(zhǎng)春勁能科技集團(tuán)股份有限公司”，帶動(dòng)了我國(guó)新能源車的快速發(fā)展。近年來(lái)在Adv. Mater.，Adv. Energy Mater., Mater. Sci. Eng. R, Nano
Energy，Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, ACS
Appl. Mater. Interfaces, J. Power Sources等期刊發(fā)表論文五十余篇、申請(qǐng)專利二十余項(xiàng)，申請(qǐng)科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)三千余萬(wàn)元。