背景介紹

鋰金屬因其低氧化還原電位和高理論比容量而成為新一代高能量密度電池體系的理想負(fù)極。然而，循環(huán)過程中鋰枝晶生長引起的低庫倫效率和安全問題大大制約了其實際應(yīng)用。聚合物電解質(zhì)具有低可燃性、良好的柔性以及與無機固體電解質(zhì)相比更好的電極/電解質(zhì)界面特性，其可控的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計為抑制鋰金屬負(fù)極枝晶生長提供了可能。然而，目前制備兼具高離子電導(dǎo)率和良好枝晶抑制特性的聚合物電解質(zhì)材料仍存在重大挑戰(zhàn)。

研究出發(fā)點

為此，澳大利亞悉尼科技大學(xué)汪國秀教授課題組在國際著名期刊Angew.Chem.Int.Ed.上以“StableConversionChemistry-BasedLithiumMetalBatteriesEnabledbyHierarchicalMultifunctionalPolymerElectrolyteswithNear-SingleIonConduction”為題，報道了一種新型層次結(jié)構(gòu)聚合物電解質(zhì)（HMPE），并將其成功應(yīng)用于鋰金屬電池。該聚合物電解質(zhì)由嵌套在聚（3,3-二甲基丙烯酸鋰，PDAALi）包覆的玻璃纖維（GF）膜中的（1-[3-（甲基丙烯酰氧基）丙基磺酰基]-1-（三氟甲磺酰基）酰亞胺（LiMTFSI）-季戊四醇四丙烯酸酯（PETEA））基交聯(lián)凝膠聚合物電解質(zhì)構(gòu)成。PDAALi包覆的GF膜為HMPE提供了足夠的機械強度，而LiMTFSI-PETEA共聚物網(wǎng)絡(luò)則使其處于相對安全的準(zhǔn)固態(tài)而避免了電解液泄漏的風(fēng)險。該富含單離子導(dǎo)電聚合物的分級結(jié)構(gòu)設(shè)計使得HMPE具有高室溫離子電導(dǎo)率(2.24×10-3Scm-1)，高鋰離子遷移數(shù)(0.75)，并可有效抑制鋰枝晶生長。采用鋰碘電池作為代表性轉(zhuǎn)化機制鋰金屬電池，以評估該聚合物電解質(zhì)性能；發(fā)現(xiàn)HMPE可通過靜電排斥作用有效阻擋中間態(tài)鋰碘化物的擴散，因此在不使用硝酸鋰添加劑的條件下大大提高電池的可逆容量和循環(huán)壽命。

首先將3,3-二甲基丙烯酸鋰（DDALi）單體于水溶液中在GF膜表面聚合。隨后將6wt％LiMTFSI單體，2wt％PETEA交聯(lián)劑與0.1wt％羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮（HMPP）光引發(fā)劑共溶于商用電解液（LE，1M雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（LITFSI）-二氧戊環(huán)（DOL）:乙二醇二甲醚（DME））中，以形成前驅(qū)體溶液；將前驅(qū)體溶液注入PDAALi包覆的GF膜中，經(jīng)紫外（UV）輻射引發(fā)LiMTFSI和PETEA分子上C=C雙鍵的原位自由基聚合，從而獲得HMPE

總結(jié)與展望

本工作中HMPE的基本設(shè)計思路和原位制備技術(shù)可以擴展到其他基于轉(zhuǎn)化化學(xué)機制的堿金屬電池體系，例如鋰硫電池，鋰空電池，鋰硒電池，鈉硫電池，鈉氧電池等，為高性能儲能器件的開發(fā)開辟了新的途徑。

課題組介紹

澳大利亞悉尼科技大學(xué)清潔能源技術(shù)中心汪國秀教授課題組主要致力于能源材料領(lǐng)域研究，汪教授主持完成二十多項澳大利亞基金委和工業(yè)界的項目。迄今為止，汪教授已在Nat.Catalysis,Nat.Commun.,JACS,Angew.Chem.Int.Ed.,Adv.Mater.,NanoLett.,ACSNano等頂級期刊發(fā)表文章超過460篇，引用超過31000次，H指數(shù)99。2018年入選化學(xué)與材料學(xué)科全球高被引科學(xué)家（WebofScience/ClarivateAnalytics）。擔(dān)任英國皇家化學(xué)會會士（FRSC），國際電化學(xué)學(xué)會會士（ISEfellow）。