AFM: 用于宽温可操作锂金属电池的高熵凝胶聚合物电解质

文章总结

锂金属电池的实际应用面临热安全隐患、界面问题和工作温度范围受限的瓶颈。固态电解质虽能解决安全隐患，但单一相固态电解质难以有效应对工作温度范围窄和电极 / 电解质界面不稳定的问题。在此，通过调控锂离子溶剂化结构与二氧戊环原位聚合工艺，制备了一种含 40 vol% 二氧戊环前驱体的高熵凝胶聚合物电解质（HEGE (40% PDOL)），其兼具优异的离子电导率（-25 °C 时达 4.42 mS cm⁻¹）和高阳离子迁移数（0.84）。所构建的 Li|HEGE (40%PDOL)|Li 对称电池在 25 °C 下可稳定循环超 3000 小时。搭载 HEGE (40%PDOL) 的 LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂（活性物质含量 > 97%，面容量 1.2 mAh cm⁻²）||Li 扣式电池在 - 25 °C 下经历 500 次循环后容量保持率超 75%，而采用 40 µm 薄锂组装的软包电池在 400 次循环后容量保持率仍达 72.5%。分子动力学模拟揭示了体系多样性与锂离子传输效率的关联机制，基于溶剂化结构构建的理论模型为 HEGE (40% PDOL) 的优异电化学性能提供了物理层面的解释。该高熵电解质实现了安全性、循环稳定性和宽温工作性能的协同优化，为固态电池的实用化进程提供了新的技术路径。

图文简介

HEGE 与 HELE 的机理及性能对比示意图（插图：锂离子溶剂化鞘层对比）

a) DOL、HEGE (30% PDOL)、HEGE (40% PDOL) 和 HEGE (50% PDOL) 的 1H 核磁共振谱图 b) HEGE (30% PDOL)、HEGE (40% PDOL) 和 HEGE (50% PDOL) 的单体转化率 c) HEGEs (XPDOL) 前驱体与聚合后 HEGEs (X% PDOL) 的数码照片（X%=30%、40% 和 50%） d) HEGE (30% PDOL)、HEGE (40% PDOL) 和 HEGE (50% PDOL) 的差示扫描量热（DSC）曲线 e) 多孔基底、HEGE (30% PDOL)、HEGE (40% PDOL) 和 HEGE (50% PDOL) 的拉伸应力曲线 f) HEGE (30% PDOL)、HEGE (40% PDOL) 和 HEGE (50% PDOL) 在 25°C 下的电化学性能对比（包括离子电导率、阳离子迁移数和氧化电位）

a) HEGE (C1)、HEGE (C2)、HELE (C3) 和 HEGE (40% PDOL) 的离子电导率随温度变化曲线；b) HEGE (C1)、HEGE (C2)、HELE (C3) 和 HEGE (40% PDOL) 组装的锂对称电池在 25°C、0.1 mA cm⁻² 电流密度下的恒流循环曲线；c) HEGE (C1)、HEGE (C2)、HELE (C3) 和 HEGE (40% PDOL) 电化学性能雷达图；d,e) HEGE (C1)、HEGE (C2)、HELE (C3) 和 HEGE (40% PDOL) 在 0.1 mA cm⁻² 电流密度下循环 50 次后 SEI 膜的 d) C 1s 和 e) F 1s XPS 谱图；f) DME、DOL、FEC、MP、LiTFSI 和 LiPF6 的最低未占据分子轨道 (LUMO) 和最高占据分子轨道 (HOMO) 能级；g) HEGE (C1) 和 HEGE (40% PDOL) 电解质组装的 Li||Li 对称电池循环 25 次后锂金属负极的俯视 SEM 图像及其对应示意图。

a) 采用 HEGE (C1)、HEGE (C2)、HELE (C3) 和 HEGE (40% PDOL) 作为电解质的 NCM811||Li 扣式电池在 0.5 C 电流密度（25°C）下的循环性能 b) 不同电流密度下使用上述电解质的 NCM811||Li 扣式电池的倍率性能 c) 使用 HEGE (40% PDOL) 电解质的扣式电池中 NCM811 颗粒的透射电镜（TEM）图像 d,e) NCM811 电极在 0.5 C 电流密度下循环 20 次后的 d) C 1s 和 e) F 1s X 射线光电子能谱（XPS）图谱 f) NCM811 表面阴极电解质界面（CEI）的相对组成 g) 循环后不同电解质诱导形成的 CEI 结构示意图。

a) HELE (C3) 和 b) HEGE (40% PDOL) 中与 Li⁺相关的径向分布函数 g (r) 及配位数 (CN)；c) HEGE (40% PDOL) 模拟体系的快照；d) 通过分子动力学 (MD) 模拟在 25°C 下获得的平均 Li⁺簇尺寸；e) HELE (C3) 和 f) HEGE (40% PDOL) 的 Li⁺簇示意图；g) HEGE (40% PDOL) 的扩散排序核磁共振 (DOSY-NMR) 谱图；h) 由 DOSY-NMR 表征的电解质峰强度与梯度场强度的关系；i) 基于图 5h 线性拟合结果通过 Stejskal–Tanner 方程计算的 HEGE (C1)、HEGE (C2)、HELE (C3) 和 HEGE (40% PDOL) 的 Li⁺扩散系数。

论文信息

通讯作者：https://doi.org/10.1002/adfm.202500440

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