杨化滨/曹鹏飞 AFM: 化学键合磷的防火型固体聚合物电解质，用于稳定、安全的锂金属电池

锂金属电池（LMB）被认为是最有前途的下一代高能量密度电池系统之一。然而，商用液态电解质的泄漏问题和火灾危险阻碍了其实际应用。本文通过甲基丙烯酸甲酯（MMA）、碳酸二乙二醇烯丙酯（ADC）和阻燃单体（即乙烯基膦酸二乙酯（DEVP））的原位聚合，制备了阻燃固体聚合物电解质（FRSPE），其中磷与聚合物基体发生化学键合，以避免阻燃分子与锂（Li）阳极发生寄生反应。与之前报道的具有游离磷的固体聚合物电解质（SPEs）相比，这种电解质可显著提高阻燃效率并改善电化学性能。组装好的Li/FRSPE/LiFePO4 ( LFP )电池具有宽电化学窗口（≈4.4V）、高离子电导率（1.8 × 10-4 S cm-1）以及与锂阳极的良好兼容性，可在宽温度范围内实现稳定循环（在25和80 °C下，容量保持率分别为70.9%@1000 次循环和 69.1%@200 次循环）。此外，采用FRSPE的高电压全电池，如 Li/LiCoO2(LCO) 和Li/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811)，也具有出色的循环性能。目前在聚合物框架中化学键合阻燃剂的设计原理可为开发实用、安全和稳定的LMB提供新的途径。

图文简介

a )无磷FRGPE与磷酸盐键合FRSPE对比示意图。b )多功能FRSPE示意图。

a ) FRSPE的聚合物合成示意图；b )单体和FRSPE的FT-IR图谱；c ) FRSPE的SEM照片和相应的EDS映射照片；d ) FRSPE的DSC曲线；e )参考温度为25 ℃时，FRSPE的储能模量( G′)和损耗模量( G″)随时间-温度叠加的频率依赖性；f ) FRSPE和玻璃纤维的应力-应变对比曲线。

a ) FRSPE和FRGPE的TGA曲线。b ) FRSPE和FRGPE的燃烧测试。c ) FRSPE和d ) FRGPE的热释放速率。e ) CLE、PEO-SPE、FRSPE和FRGPE的SET直方图。f ) FRSPE和g ) FRGPE在10 °C下加热10 min⁻¹后气体的3D TG-IR谱图 . h ) FRSPE的阻燃机理示意图。

FRSPE和PEO-SPE的电化学性能

FRSPE和PEO-SPE的Li/LFP全电池的电化学性能

a ) Li/FRSPE/LCO电池在2.8 ~ 4.3 V电压范围内，0.5 C电流密度下的循环性能；b ) Li/FRSPE/LCO的倍率性能；c ) ADC、DEVP、MMA片段和PEO、LiTFSI、SN的HOMO和LUMO能级。d ) Li/FRSPE/LCO和e ) Li/FRGPE/LCO电池在0.5 C下循环50 次后的照片和SEM照片。( i ) C 1s，( ii ) F 1s和( iii ) P 2p的XPS谱取自循环Li金属，f ) FRSPE和g ) FRGPE在0.5 C下循环50 次后。

论文信息

通讯作者： Huabin Yang, Peng-Fei Cao