AM: 用于高压锂金属电池的原位聚合多氟化交联聚醚电解质

文章总结

原位聚合聚醚电解质因其高离子电导率和出色的界面接触性，在固态锂金属电池领域极具潜力。然而，锂枝晶的形成、界面退化以及有限的氧化稳定性等问题阻碍了它们的实际应用。在此，我们提出了一种原位聚合的多氟化交联聚醚电解质（PDOL-OFHDBO），它是通过将 1,3 - 二氧戊环（DOL）与作为多氟化交联剂的 2,2'-(2,2,3,3,4,4,5,5 - 八氟己烷 - 1,6 - 二基) 双 (环氧乙烷)（OFHDBO）进行共聚反应而合成的。具有吸电子性的多氟化基团赋予了 PDOL-OFHDBO 更强的氧化稳定性和界面相容性，同时降低了聚合物基体的溶剂化能力，从而促进形成由阴离子衍生的富含无机物的固态电解质界面相，以实现锂的均匀沉积。因此，PDOL-OFHDBO 展现出了宽的电化学稳定窗口（大于 5.6 伏），并能够实现超过 1100 小时的长期稳定的锂电镀 / 剥离过程。此外，使用 PDOL-OFHDBO 的 Li||LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂（NCM811）全电池，在高负载正极（约 3.8 毫安时每平方厘米）和薄锂负极（50 微米）的情况下，表现出了出色的循环稳定性。在截止电压分别为 4.3 伏和 4.5 伏时，经过 100 次循环后，其容量保持率分别达到了 95.5% 和 89.1%。值得注意的是，安时级别的 Li||NCM811 软包电池提供了令人印象深刻的 401.8 瓦时每千克的比能量，突显了它们在实际固态锂金属电池应用中的潜力。

图文简介

（a）聚 1,3 - 二氧戊环（PDOL）和（b）多氟化交联聚醚电解质（PDOL-OFHDBO）的设计原理及合成路线示意图。

a）聚 1,3 - 二氧戊环（PDOL）和多氟化交联聚醚电解质（PDOL-OFHDBO）的离子电导率随温度的变化关系。b）PDOL 和 PDOL-OFHDBO 之间离子电导率的比较，c）活化能的比较，以及 d）锂离子迁移数的比较。分子动力学（MD）模拟得到的 e）PDOL 和 f）PDOL-OFHDBO 的快照图像。g）在 PDOL 和 PDOL-OFHDBO 中锂离子传输的均方位移（MSD）与扩散时间的关系。计算得到的 h）PDOL 和 i）PDOL-OFHDBO 中锂 - 氧（Li-O）的径向分布函数 g (r) 以及配位数（CN）。j）PDOL 和 PDOL-OFHDBO 的拉曼光谱。

a）聚 1,3 - 二氧戊环（PDOL）和 b）多氟化交联聚醚电解质（PDOL-OFHDBO）在不同刻蚀时间下固态电解质界面相（SEI）的定量原子组成比。c）扫描速率为 0.1 毫伏每秒时，锂 | 锂（Li||Li）电池的塔菲尔（Tafel）曲线以及计算得到的交换电流密度。锂 | 锂（Li||Li）电池在电流密度分别为 d）0.5 毫安每平方厘米和 e）2 毫安每平方厘米时的恒电流循环曲线。

Va）在逐步增加的电流密度（从 0.1 到 3.7 毫安每平方厘米，锂电镀 / 剥离循环为 1 小时 / 1 小时）下，使用聚 1,3 - 二氧戊环（PDOL）和多氟化交联聚醚电解质（PDOL-OFHDBO）的电池的电压曲线。b）对称锂 | 锂（Li||Li）电池在不同电流密度下的电压曲线。c）在 0.5 毫安每平方厘米的电流密度下，用于计算锂 | 铜（Li||Cu）电池平均库仑效率（CE）的电压曲线。d、e）使用 PDOL 时，锂在铜上沉积的表面扫描电子显微镜（SEM）图像以及 f）横截面 SEM 图像。g、h）使用 PDOL-OFHDBO 时，锂在铜上沉积的表面 SEM 图像以及 i）横截面 SEM 图像。

a、b）在室温下，50 微米厚锂负极的锂 || 镍钴锰酸锂（Li||NCM811）扣式电池，分别在截止电压为 4.3 伏和 4.5 伏、0.5C 倍率下的循环性能。c）锂 ||NCM811 软包电池结构示意图。d）使用多氟化交联聚醚电解质（PDOL-OFHDBO）的锂 ||NCM811 软包电池在 0.5C 倍率下的循环性能。e）锂 | PDOL-OFHDBO|NCM811 软包电池在第 1 次和第 10 次循环时的电压曲线。f）锂 | 聚 1,3 - 二氧戊环（PDOL）|NCM811（上半部分）和锂 | PDOL-OFHDBO|NCM811（下半部分）软包电池在以 20 毫伏每秒的扫描速率从 3 伏过充到 10 伏过程中的线性扫描伏安法（LSV）曲线以及相应的红外热成像图。

论文信息

通讯作者：Haiming Lv, Chunyi Zhi

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