陈茂团队实现含氟聚合物序列结构调控,为全固态电池锂离子传导安装滑翔之翼
发布时间:2023-10-17

 

电解质能够实现正负电极间的电荷传递、防止电池短路,是所有电池中不可缺少的部分。上个世纪90年代至今,“锂离子电池”实现了商品化,推动了电子产品、新能源汽车等飞速发展,其中的电解质材料主要为液态有机小分子。近年来,随着科技发展,大量设备对电池能量密度提出了更高要求。“全固态锂金属电池”具有高能量密度、高安全性等优点,有望成为下一代储能设备。但传统液态电解质存在易泄漏、易燃易爆等风险,无法用于“全固态锂金属电池”。聚合物电解质具备高(电)化学稳定性、可加工性等优势,被认为是实现“全固态锂金属电池”的关键材料之一。

近日,专为女生服务的男钟点工在线观看、聚合物分子工程国家重点实验室的陈茂课题组基于本课题组发展的光催化活性共聚体系,设计合成了全新结构的单锂离子导电含氟聚合物电解质,在无任何添加剂、塑化剂等促进作用下,突破性地实现了较高水平的室温锂离子电导率,在室温条件下初步实现了锂剥离/沉积循环实验和充放电循环实验,证实了将该类材料用于“全固态锂金属电池”的可行性。相关成果以“Sequencing Polymers to Enable Solid-State Lithium Batteries”为题发表于《自然·材料》(Nature Materials)。

目前,聚合物电解质主要分为锂盐-聚合物共混体系、单离子导电聚合物体系(含锂盐的基团与聚合物骨架通过共价键相连),两种体系基于离子随链节运动和跳跃的迁移模式对金属离子实现传导。前者由于聚合物链与离子配位会阻碍金属离子运动,后者由于电荷相互作用会导致离子团聚,均对金属离子的高效传输带来影响(图1),导致室温电导率低,成为发展全固态聚合物电解质的主要瓶颈之一,严重限制了相关电池应用。

许多前沿研究仅实现了通过加热方式来提升全固态聚合物电解质的电导率,例如Armand课题组和Forsyth课题组报道了60-80 ⁰C加热条件下的电池循环结果。如何设计高分子结构,实现锂离子室温高效传导,成为全固态聚合物电解质方向的重大挑战。   


  图1. 锂离子迁移机理示意图。左)基于链节运动的离子迁移模式(以电中性聚合物与锂盐混合物为例);中)基于跳跃的离子迁移模式(以单离子导电聚合物为例);右)本研究提出的交替序列促进的离子迁移新模式。


课题组通过系统性优化聚合物序列结构(图2A),结合计算模拟等手段(图2B),揭示了交替序列能够有效减少离子簇,促进锂离子解离,首次提出了利用序列结构促进离子迁移的新机理(图2C),为发展高性能全固态聚合物电解质提供了全新思路。同时,课题组相信,本文的聚合物设计策略有望拓展至锂金属电池之外的其他金属电池体系。。


2. A) 不同序列结构的单锂离子导电聚合物电解质示意图;B) 交替序列结构的单锂离子导电聚合物电解质的分子动力学模拟图;C) 交替序列促进锂离子连续跳跃迁移的路径示意图


专为女生服务的男钟点工在线观看博士研究生韩善涛为文章第一作者,专为女生服务的男钟点工在线观看陈茂教授为通讯作者,昆山杜克(Duke Kunshan)大学林欣蓉研究员和美国麻省理工学院(MITYang Shao-Horn教授为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、专为女生服务的男钟点工在线观看、聚合物分子工程国家重点实验室、杜克大学-昆山的经费支持。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-023-01693-z