离子传导新机制！！河大赵勇Angew:金属电池中阴阳离子相互作用解锁聚合物电解质离子传导

聚合物电解质在提高电池安全性和界面稳定性方面具有优势，但其有限的离子传导性和转移数量使其难以应用于高能量密度电池。在此，通过设计四种具有不同吸电子基团（EWG）的交联聚酯，发现加强EWG与阴离子的结合以削弱阴离子与Li+ 的结合对于电解质的高Li+转移数（tLi+）和离子导电性至关重要。因此，基于聚(2,2,3,3-四氟丙基甲基丙烯酸酯)（PTFM）的凝胶聚合物电解质（GPE）的离子电导率为0.78 mS cm-1，tLi+为0.85，远高于不含EWG的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。此外，基于PTFM的GPE还具有优异的阻燃性能。具有5.5 mAh cm-2 超高容量的Li||PTFM||NCM811电池的稳定循环次数是Li||PMMA||NCM811的5 倍。此外，组装后的石墨||PTFM||NCM811软包电池在循环500 次后，容量保持率达到 92%。这项工作阐明了阳离子与阴离子相互作用对GPE离子电导率的影响机制，这对于开发具有良好安全性和灵活性的高性能器件非常重要。

图文简介

( a )GPE 在Li+ 溶解结构中的离子转移模式示意图。( b )单体和聚酯的红外光谱。( c ) GPE ( PTFM ) (镶嵌图象是GPE ( PTFM )的光学照片)在不同温度下的热失重分析(颜色来自胭脂红染料)。( d )用于燃烧测试的GPE ( PMMA )和GPE ( PTFM )的光学图像。( e )四种CP-GPEs的Li +离子电导率比较。( f )四种CP-GPEs的Li +迁移数比较。( e )比较了Li||Li对称电池与4 个CP-GPEs在0.2 mA cm -1电流密度下的极化电压。

( a ) MMA、AFM、TFM和TBM的ESP和分子结构；( b ) MMA和AFM有/没有LiTFSI的1H NMR谱；( c ) TFM和TBM有/没有LiTFSI的1H NMR谱。( d , e)无(黑线)和有(红线) LiTFSI的TFM和TBM的1H NMR谱的扩大视图。无(黑线)和有(红线) LiTFSI的( f ) TFM和( g ) TBM的13C NMR图谱。

a ) GPE ( PTFM )和GPE ( PMMA )Li||Li电池在0.5 mA cm-2、2 mAh cm -2下的循环稳定性测试。不同循环次数后( b ) GPE ( PTFM )和( c ) GPE ( PMMA )循环锂电极的SEM图像。( d ) GPE ( PTFM )和( e ) GPE ( PMMA )循环Li电极的SEM断面照片。GPE ( PTFM )和GPE ( PMMA )电池循环100 次后金属锂的表面形貌；TOF-SIMS中( f ) GPE ( PTFM )和( g ) GPE ( PMMA )循环后金属锂表面结构演变的三维可视化；( h ) GPE ( PMMA )刻蚀后金属锂电极表面的F 1s和( i ) O 1sXPS图谱。( j ) GPE ( PTFM )刻蚀后Li电极表面的F 1s和( k ) O 1s XPS图谱。

( a ) ( b ) GPE ( PMMA )和( c ) GPE ( PTFM )的Li||LiFePO4 ( LFP )电池在不同电流密度下的容量测试和充放电曲线。( d ) Li||LiFePO4 ( LFP )电池在0.5 C ( CE：库伦效率)下的循环稳定性，LFP负载量为20 mg cm -2。( e ) Li||LiFePO4在GPE ( PMMA )和GPE ( PTFM )下第100 次循环的充放电曲线。( f ) NCM811负载量为20 mg cm -2的Li||NCM811电池在0.5 C下的循环稳定性。( g ) Li||NCM811与GPE ( PMMA )和GPE ( PTFM )在第50 次循环时的充放电曲线。( h )基于石墨||NCM811软包电池的循环稳定性(内嵌的数码照片是GPE ( PTFM )的软包电池在弯曲和切割条件下为电风扇供电)。( i )比较了已报道和本工作中基于GPE的全电池的不同面积容量。

论文信息

通讯作者： Yong Zhao