北科大连芳课题组丨Angew:Adaptive 3D Crosslinked Single-Ion Conducting Polymer Electrolyte enable Powerful Interface for Solid State Batteries
发表时间:2025-11-10 17:08
该研究提出了一种具有对称交叉结构和末端功能化C═C键的硼离子中心锂盐(LiT4PAB)作为单元,随后通过LiT4PAB与聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)的化学交联构建了三维配位电解质(LiPHB)。由单键连接的硼离子中心单元表现出丰富的构象转变,在二苯基磺酰亚胺(BBI)的静电相互作用辅助下,实现了LiPHB的可变形结构。因此,LiPHB在受到冲击时能够发生自适应变形,表现出良好的延展性,弹性模量为1.4 GPa,最大伸长率为447.4%。此外,LiPHB展示了三维单锂离子传输通道,可引导均匀的锂沉积。结果表明,锂对称电池在30 °C和0.1 mA cm⁻²条件下能够稳定进行沉积/剥离循环超过1500小时。Li/LiPHB SICPEs/NCM811固态电池在30 °C和0.2 C倍率下循环150次后容量保持率为90.3%。该研究为动态单离子导电聚合物电解质的设计策略提供了新的思路,适用于固态电池。
固态聚合物电解质(SPEs)具有高柔韧性、强粘附性、良好的加工性能和优异的界面兼容性等独特优势。此外,Chazalviel发现电场下的阴离子迁移是金属沉积侧附近形成空间电荷区的主要因素,会加速锂枝晶的生长。单锂离子导体的概念由Bannister等人在20世纪80年代初提出。与通过将锂盐溶解在聚合物基质(如PEO基电解质)中制备的“salt-in-polymer”型SPEs不同,单锂离子导电聚合物电解质(SICPEs)通过将阴离子共价键合到聚合物上(称为聚阴离子)设计而成,从而实现高阳离子迁移数(tLi⁺)。因此,具有本征高tLi⁺的SICPEs具有许多优点,包括缓解离子浓度梯度及相关问题、抑制锂枝晶生长、提高正极材料利用率以及提升固态电池(SSBs)的倍率性能。然而,由于存在大量刚性基团、高玻璃化转变温度(Tg)以及聚合物链段运动受限,SICPEs在室温下的离子电导率较低(10⁻⁷–10⁻⁵ S cm⁻¹)。在最近的研究中,如何在不牺牲自然刚性和机械强度的前提下进一步提高SICPEs的室温锂离子电导率是一项重大挑战。解决上述问题的最佳方案之一是构建具有刺激响应变形的鲁棒交联聚合物,其中键的旋转和延伸发生而非解离或断裂。
Liu团队开发了一种基于动态共价键的硼-PDMS瞬态交联聚合物,具有固-液杂化行为,可作为锂金属负极的动态界面层。Ye等人通过一锅缩聚法制备了自修复聚氨酯(PNPU),其中氢键交联能够在机械应力下实现可逆网络重构,并增强固态聚合物电解质的界面稳定性。Zhao等人采用基于滑动烯烃功能化[2]轮烷的机械互锁网络(MIN),展示了在高容量锂沉积/剥离过程中的能量耗散和循环体积耐受性。固有的结构不稳定性可能导致长期循环中的机械降解。与动态物理相互作用相比,由稳定共价键连接的静态交联框架确保了优异的机械完整性。Du等人开发了一种基于螺硼酸骨架的新型离子共价有机框架材料(ICOF),赋予材料优异的热稳定性和室温下3.05×10⁻⁵ S cm⁻¹的离子电导率。然而,在聚合过程中引入刚性基团(如苯环、咪唑环、聚酰亚胺和腈类聚合物)本质上限制了键的旋转灵活性。因此,在结构设计中战略性地整合刚性和可变形性的优势至关重要。
该研究提出了一种具有对称交叉结构的硼离子中心锂盐LiT4PAB作为单元,并通过与PVDF-HFP的三维化学交联构建了鲁棒-自适应框架LiPHB SICPEs。由单键连接的LiT4PAB表现出丰富的构象转变,同时在BBI的静电相互作用促进下,三维结构的LiPHB在受到冲击时能够发生自适应变形,通过能量耗散实现良好的机械延展性,拉伸强度为2.35 MPa,弹性模量为1.4 GPa,最大伸长率为447.4%。LiPHB不仅表现出高锂离子迁移数(tLi⁺=0.7)和30 °C下5.9×10⁻⁴ S cm⁻¹的离子电导率,还具有高达358.3 °C的热稳定性和宽电化学稳定窗口(在NCM811电池中为4.6 V)。此外,PVDF-HFP中丰富的氟元素在循环过程中有助于形成富含LiF的固体电解质界面(SEI)层。因此,锂-锂对称电池在0.1 mA cm⁻²下能够稳定循环超过1500小时,在0.2 mA cm⁻²下循环200小时,临界电流密度(CCD)高达1 mA cm⁻²。重要的是,即使在苛刻条件下,铜箔上初始锂沉积的成核过电位仅为26.5 mV,库仑效率为87.1%,揭示了LiPHB SICPEs的机械-电化学耦合界面稳定性。同时,Li/LiPHB SICPEs/NCM811固态电池在30 °C和0.2 C电流密度下循环150次后,可逆容量为140 mAh g⁻¹,容量保持率为90.3%。硼基SICPEs能够适应电池循环过程中的显著体积变化,并表现出优异的电化学稳定性。该工作为开发用于高能量密度固态电池的三维结构自适应SICPEs提供了新范式。


总之,该研究通过设计的硼离子中心锂盐LiT4PAB与PVDF-HFP交联,合成了一种自适应三维结构的LiPHB单离子导电聚合物电解质。LiPHB框架具有丰富的构象,不仅提供了机械强度,还具备变形能力(应变为447.4%,弹性为1.4 GPa),能够适应锂沉积/剥离过程中的体积变化。此外,LiPHB提供了均匀的单锂离子传输通道,引导锂的均匀沉积。结果表明,LiPHB在30 °C下具有5.9×10⁻⁴ S cm⁻¹的高锂离子电导率、0.7的锂离子迁移数、4.6 V的宽电化学稳定窗口以及1 mA cm⁻²的高临界电流密度。此外,LiPHB的鲁棒-柔性骨架和富含LiF的SEI膜能够耐受NCM811的显著体积变化,表现出优异的界面兼容性和结构完整性。组装的锂-锂对称电池在30 °C和0.1 mA cm⁻²条件下能够稳定循环超过1500小时。重要的是,即使在Li//Cu不对称电池的苛刻条件下,铜箔上初始锂沉积的成核过电位仅为26.5 mV,表明LiPHB SICPEs能够引导均匀的锂沉积。此外,NCM811电池在30 °C和0.2 C倍率下循环150次后放电容量为126 mAh g⁻¹,容量保持率为90.3%。该工作为解决固态聚合物电解质在机械强度与变形能力之间的权衡问题提供了新的结构设计策略,适用于高能量密度电池。