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设计超薄固态电解质中的协同离子传输路径以实现实用锂金属电池

期刊:Angewandte ChemieDOI:10.1002/anie.202413306

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创研究。以下是对该研究的学术报告:

研究作者及机构

本研究的作者包括Guo Feng、Qianyi Ma、Dan Luo、Tingzhou Yang、Yihang Nie、Zhuoyi Zheng、Leixin Yang、Shibin Li、Qingying Li、Mingliang Jin、Xin Wang和Zhongwei Chen。研究团队来自多个机构,包括华南师范大学华南先进光电子研究所、中国科学院大连化学物理研究所催化国家重点实验室、浙江万里学院碳中和研究所、滑铁卢大学化学工程系以及天津科技大学轻工科学与工程学院。该研究发表于《Angewandte Chemie International Edition》期刊,预计于2025年出版。

学术背景

本研究属于锂金属电池(lithium metal batteries)领域,特别是固态电解质(solid-state electrolytes)的研究。随着对高能量密度储能设备需求的增加,锂金属电池因其高能量密度而备受关注。然而,传统的液态有机电解质存在安全性和界面不稳定性等问题,固态电解质则被认为是一种有潜力的解决方案。固态聚合物电解质(solid polymer electrolytes, SPEs)因其良好的柔韧性、安全性和界面稳定性而备受关注,但其离子导电性和界面稳定性仍存在不足。本研究旨在设计一种超薄固态电解质,通过构建长程协同离子传输路径(cooperative ion transport pathway)来提高离子导电性和稳定性,从而推动高能量密度锂金属电池的实际应用。

研究流程

  1. 电解质设计
    研究团队提出了一种基于聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)和氟化共价有机框架(CF3-COF)的超薄固态电解质。通过将PVDF-HFP浸渍到CF3-COF的孔隙中,破坏其对称性,从而促进快速离子传输并抑制阴离子迁移。CF3-COF的功能基团与PVDF-HFP相互作用,形成快速的Li+传输通道,确保电解质内均匀且受限的Li+传导。

  2. 材料合成与表征
    研究采用溶液浇铸法制备了CF3-COF@PVDF-HFP电解质膜。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、氮气吸附/脱附分析等手段对材料进行了表征。结果表明,CF3-COF成功合成,并具有较高的比表面积和微孔结构。

  3. 电解质性能测试
    研究测试了电解质的离子导电性、机械强度、热稳定性和电化学性能。结果表明,CF3-COF@PVDF-HFP电解质在室温下的离子导电性达到1.21×10^-3 S/cm,显著高于纯PVDF-HFP电解质。此外,电解质的机械强度和柔韧性也得到了显著提升。

  4. 电池性能测试
    研究组装了Li//Li对称电池和NCM523/Li软包电池,测试了其循环性能和容量保持率。结果显示,Li//Li对称电池在0.1 mA/cm^2的电流密度下可稳定循环超过9000小时,NCM523/Li软包电池在循环后仍保持96%的容量。

  5. 分子动力学模拟
    研究通过分子动力学(MD)模拟分析了Li+在电解质中的传输机制。结果表明,CF3-COF@PVDF-HFP电解质中的Li+传输速度显著快于纯PVDF-HFP电解质,这主要归因于CF3-COF的电负性通道对Li+的吸引作用。

主要结果

  1. 材料表征结果
    FTIR和XRD分析证实了CF3-COF的成功合成,氮气吸附/脱附分析显示其具有412.6 m^2/g的比表面积和2.2 nm的窄孔径分布。

  2. 电解质性能结果
    CF3-COF@PVDF-HFP电解质的离子导电性达到1.21×10^-3 S/cm,机械强度和柔韧性显著提升。热重分析(TGA)显示电解质膜的热稳定性良好。

  3. 电池性能结果
    Li//Li对称电池在0.1 mA/cm^2的电流密度下可稳定循环超过9000小时,NCM523/Li软包电池在循环后仍保持96%的容量,展示了优异的循环稳定性。

  4. 分子动力学模拟结果
    MD模拟显示,CF3-COF@PVDF-HFP电解质中的Li+传输速度显著快于纯PVDF-HFP电解质,这主要归因于CF3-COF的电负性通道对Li+的吸引作用。

结论

本研究成功开发了一种基于CF3-COF@PVDF-HFP的超薄固态电解质,具有高离子导电性、优异的机械强度和界面稳定性。该电解质在锂金属电池中展示了超长的循环寿命和高容量保持率,为高能量密度固态锂金属电池的实际应用提供了新的解决方案。

研究亮点

  1. 创新性电解质设计
    通过将PVDF-HFP浸渍到CF3-COF的孔隙中,构建了长程协同离子传输路径,显著提高了离子导电性和稳定性。

  2. 优异的电池性能
    Li//Li对称电池可稳定循环超过9000小时,NCM523/Li软包电池在循环后仍保持96%的容量,展示了优异的循环稳定性。

  3. 分子动力学模拟
    通过MD模拟揭示了CF3-COF@PVDF-HFP电解质中Li+的快速传输机制,为电解质设计提供了理论支持。

其他有价值的内容

本研究还展示了CF3-COF@PVDF-HFP电解质在高压电池中的优异性能,包括与LiCoO2(LCO)和LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)阴极的兼容性,以及在高活性材料负载下的稳定循环性能。此外,研究还通过X射线光电子能谱(XPS)和同步辐射X射线计算机断层扫描(CT)分析了电解质与锂金属界面的化学环境和结构稳定性,进一步验证了其在实际应用中的潜力。

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