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科学研究
高安全性固态电解质: 聚合物离子液体-锂盐共配位协助锂离子传输
 最后更新: 2020-05-06  作者: 佚名  浏览: 265次

  聚合物主体的特性及其与锂盐的相互作用对于设计安全锂电池至关重要。近日,澳大利亚迪肯大学的MariaForsyth教授和世界著名锂电池学者Michel Armand在Joule上发表了题为“Poly(Ionic Liquid)s-in-Salt Electrolytes with Co-coordination-Assisted Lithium-Ion Transport for Safe Batteries”的文章。报道了聚离子液体作为固体电解质的基质与传统聚合物体系相比锂离子不同的配位机制。通过调控固态复合电解质中两种有机物的摩尔比得到最优电解质配比,并通过理论计算分析证实了阴离子共配位结构在该固态复合电解质中对离子迁移的贡献,在保证高安全性的基础上,该固态复合电解质在80℃条件下,盐浓度为60 mol%时离子电导率可达0.7×10-4 S/cm。


图1. 锂盐的加入对电解质微结构、物相与离子导电性的影响
(图片来源:彩票注册_彩票最佳网投平台_彩票最新平台app-诚信第一 Joule, 2019, 3: 2687–2702)

 


图2. 在353K条件下,分子动力学分析阴离子在三种不同FSI配位环境下得到的阴离子含量

(图片来源:彩票注册_彩票最佳网投平台_彩票最新平台app-诚信第一 Joule, 2019, 3: 2687–2702)

 

  如图2所示为三种FSI阴离子配体环境的占比情况随着摩尔比例变化而发生的变化,包括(1)FSI只与聚阳离子(FSI-PDAD)配位;(2)FSI只与Li+配位(FSI-Li);(3)FSI同时与FSI-PDAD和Li+配位。聚离子液体与锂盐在1:1.5摩尔比条件下,Li-FSI-PDADMA的配位比例达到了总比例的92%,同时具有最高的离子电导率,即在该比例下制备得到的固态复合电解质具有最优异的锂离子传输性能。得益于较高的锂盐含量,通过红外图谱的表征和分子动力学图谱的分析,证实了在该电解质内部Li+与两种FSI-(聚离子液体与锂盐)存在着共配位的关系,即在电解质内部聚离子液体不仅扮演着溶剂的角色,也在锂离子传输过程中发挥了不容小觑的作用,这样的协同作用最终使得该固态混合电解质具有优异的电化学性能。

 


图3. 锂离子迁移数测试与金属锂对称电池的性能测试
(图片来源:彩票注册_彩票最佳网投平台_彩票最新平台app-诚信第一 Joule, 2019, 3: 2687–2702)

 

  固态电解质的电化学性能测试表明聚离子液体与锂盐在1:1.5摩尔比条件下具有较高的锂离子迁移数(图3B)。此外,通过锂金属对称电池的测试结果也可以看出,1:1.5固态混合电解质具有更低的过电势,且在不同密度的锂金属沉积/剥离过程中均能保持稳定循环,不发生任何短路现象,表明该固态电解质在避免锂枝晶生长中的优势。同时,将此高安全性、高稳定性的固态复合电解质应用到锂金属电池中,表现出了良好的电化学性能。此研究为开发下一代高性能固态聚合物电解质提供了新的策略。

 

 

 


原文链接:

原文作者:

Xiaoen Wang, Fangfang Chen, Gaetan M.A. Girard,Haijin Zhu, Douglas R. MacFarlane, DavidMecerreyes, Michel Armand, Patrick C. Howlett and Maria Forsyth*

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