電化學能源公眾號/材料科學站公眾號
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*，孫學良*，謝海明*，
單位：東北師范大學，加拿大西安大略大學
近日，東北師范大學謝海明教授/劉玉龍副教授課題組與加拿大西安大略大學的孫學良教授合作，在國際知名期刊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。
該工作設計了一種新型的PEO基polymer in plastic crystal electrolyte (PIPCE)電解質(zhì)。利用分子工程設計，獲得了抗氧化、電導率高的PEO基電解質(zhì)。其原因是由于TFSI陰離子的固定、EO分子中的孤對電子效應和SN-PEO-FEC的共溶劑效應。鋰對稱電池測試表明，鋰沉積量為1 mA h cm-2，電解質(zhì)可穩(wěn)定循環(huán)超過700 h。在Li//NMC 全電池測試中，放電容量可高達169 mAh g-1，穩(wěn)定循環(huán)超過120圈仍然保持80%的容量。通過界面組分分析發(fā)現(xiàn)，CEI膜和SEI膜的化學成分穩(wěn)定，從而獲得了優(yōu)異的電化學性能。
圖1. 新型電解質(zhì)的作用機理以及界面高穩(wěn)定性的原因
本文要點
要點一： 新型PEO基PIPCE電解質(zhì)的電性能
通過簡單的共融合成了新型電解質(zhì)，并將其融入PE基隔膜中。通過一系列的測試手段表征了不同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
要點二： 鋰對稱電池長循環(huán)穩(wěn)定性
其次，本文結(jié)果證明了1 mAh cm-1的條件下，鋰對稱電池仍然能保持700 h的長循環(huán)穩(wěn)定性，表明PIPCE基電解質(zhì)對鋰金屬的穩(wěn)定性好。
圖3. 不同PEO含量的PIPCE電解質(zhì)的對稱電池測試性能
要點三： Li-NMC532全電池電化學性能
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，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)的全電池測試性能
要點四： Li/PIPCE 和 PIPCE/NMC
532 的界面組分分析
界面組分分析表明，優(yōu)異的電化學性能來源于高穩(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的策略來獲得電化學窗口寬的電解質(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)同時具有優(yōu)異的熱力學性能。電化學測試表明，使用該電解質(zhì)時，對稱電池經(jīng)過700 h 循環(huán)仍然不會短路。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，碩士生導師
目前就職于東北師范大學化學學院。隸屬于東北師范大學動力電池國家地方聯(lián)合工程實驗室，主要從事鋰離子電池和固態(tài)鋰電池的研究。2013年獲得中南大學碩士學位后進入加拿大西安大略大學孫學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豐公司（前著名的Phostech公司，具有LiFePO4化學結(jié)構(gòu)和碳包覆的全球?qū)＠袡?quán)）和中國國聯(lián)動力電池研究中心(隸屬于北京有色金屬研究總院，動力電池國家隊), 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.，由孫學良院士領(lǐng)銜的科學技術(shù)團隊）。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。
孫學良
教授
加拿大皇家科學院院士，加拿大工程院院士，加拿大納米能源材料首席科學家（Tier I），加拿大西安大略大學終身教授。孫教授于1999年在英國曼徹斯特大學獲得博士學位，1999-2001于加拿大哥倫比亞大學從事博士后研究，2001-2004在魁北克科學與工程研究院從事助理研究員工作；現(xiàn)任國際能源科學院的副主席，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)材料在能源儲存和轉(zhuǎn)化，重點從事燃料電池和全固態(tài)鋰電池，鋰離子電池的研究和應用。已發(fā)表超過540篇SCI科學論文，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)任東北師范大學化學學院功能材料化學研究所教授
動力電池國家地方聯(lián)合工程實驗室主任。十三五國家重點研發(fā)計劃新能源車專家組專家；物理化學學科帶頭人PI；化學學院教授委員會委員；吉林省長白山學者，教育部新世紀優(yōu)秀人才，吉林省首批學科領(lǐng)軍教授，首批東師仿吾青年學者，首批東師學者，全國優(yōu)秀博士畢業(yè)學位論文提名獎，獲得2014年吉林省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)先進集體，2011年長春市五一勞動獎狀，2011年吉林省最佳經(jīng)濟技術(shù)創(chuàng)新能手稱號。
多年來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、磷酸鐵鋰動力電池、超低溫鋰離子動力電池等；近年來同加拿大魁北克水電研究院、法國巴黎第六大學等科學家合作開發(fā)高安全高能量密度的全固態(tài)鋰電池，在鋰離子動力電池及其材料領(lǐng)域具有較深的研究；多年來一直以產(chǎn)學研方式同企業(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”、“營口航盛科技實業(yè)有限公司”、 “長春勁能科技集團股份有限公司”，帶動了我國新能源車的快速發(fā)展。近年來在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、申請專利二十余項，申請科研項目經(jīng)費三千余萬元。