上海交通大学 杨军教授 ACS Nano：将阻燃性固体凝胶聚合物电解质与硅基阳极原位集成，用于高能锂离子电池

硅（Si）作为高能锂离子电池的高容量阳极材料前景广阔。然而，硅在循环过程中体积的急剧变化会导致电极结构崩溃和界面稳定性下降。本文设计了一种多功能固体凝胶聚合物电解质（QSGPE），该电解质是通过亚甲基双丙烯酰胺与由纳米二氧化硅和三官能团交联剂组成的二氧化硅纳米树脂在电池中原位聚合合成的，从而创造出一种 “会呼吸 ”的三维弹性锂离子导电框架，将电极、粘合剂和电解质完美地结合在一起。交联聚合后，通过缓冲QSGPE将阳极内的硅颗粒包裹起来，与已有的PAA粘结剂协同作用，增强电极结构，稳定界面。此外，富含LiF和Li3N的SEI层的形成进一步改善了界面性能。QSGPE的电化学窗口宽至5.5 V，具有良好的阻燃性、高离子电导率（1.13 × 10-3 S cm-1）和0.649的锂转移数。先进的QSGPE和电池设计使纳米和亚微粒硅 (smSi) 阳极的初始库仑效率超过88.0%，在1 A g+-1条件下循环稳定性高达600 次，令人印象深刻。此外，NCM811//Si电池在0.5 A g-1下循环100次后，容量保持率达到约82%。这项研究为延长硅阳极的循环寿命以及通过原位聚合固态凝胶聚合物电解质构建集成电池结构提供了一种有效的策略。

图文简介

固态凝胶聚合物电解质（QSGPE）的固化过程和原位聚合前后电极内部成分的变化。

循环测试前的硅电极形态和结构表征，其中硅纳米颗粒被10NMBA-2NR封装。

(a)不同NMBA质量比(5%、10%、15%和20% wt %)的QSGPE聚合前后的光学图像。(b) QSGPE (10NMBA-2NR)、NMBA和NR的FTIR光谱。(c) LE和QSGPE (10NMBA-2NR)的燃烧对比测试。(d) NMBA和ETPTA单体在NR中原位聚合后形成的分子结构(p-ETPTA-co-NMBA)。(e)硅表面的羟基与PAA和QSGPE的极性官能团之间的氢键相互作用示意图。PAA和PAA-PNMBA薄膜的数码照片(f)和应力-应变分析(g)。(h)通过DFT计算得到PAA−PNMBA网络中不同官能团之间可能的氢键类型和对应的键能。氢键断裂的顺序由弱到强。

(a)室温下不同电解质的电化学窗口。(b) GITT试验中电压与充放电时间的关系曲线;(c) LE与QSGPE (10NMBA-2NR)的GITT试验计算的锂离子扩散系数。(d) (d) QSGPE（10NMBA、10NMBA-2NR、20NMBA 和 20NMBA-4NR）随温度变化的离子电导率。(e) LE和QSGPE (10NMBA-2NR和20NMBA-4NR)在25 ~ 80℃的离子电导率Arrhenius图。Li//Li对称电池中(f) LE、(g) QSGPE (10NMBA)和(h) QSGPE (10NMBA- 2nr)的i−t曲线和交流阻抗谱(见图)。

( a )在0.1 mV s - 1的扫描速率下，纳米Si负极在QSGPE中前四个循环的CV曲线；( b )计算了QSGPE中各组分的HOMO和LUMO能级；( c ) Si负极在LE和10NMBA-2NR中0.2 A g下的首次充放电曲线。纳米硅电极在不同电解液中不同电流倍率下的( d , e)循环性能。( f )纳米硅在10NMBA - 2NR和LE中的倍率性能。( g )使用10NMBA - 2NR的NCM811//Si电池在2.7 - 4.3 V之间的充电/放电曲线。( h )循环性能(内嵌显示全电池供电的LED灯)和( i )使用10NMBA - 2NR的NCM811//Si电池的倍率性能。

在1.0 A g−1条件下，不同电解质下，Si阳极在100次循环后的深度SEI表征。

论文信息

通讯作者：Jun Yang