李宝华团队：3D交联结构PEO@nano-SiO2聚合物电解质助力锂金属电池

来源：高分子科学前沿

​原标题：清华深研院李宝华团队：3D交联结构PEO@nano-SiO2聚合物电解质助力锂金属电池

引言

锂金属电池因其高的能量密度，吸引了大量关注，但目前仍有许多问题难以解决，尤其是锂枝晶的生长问题和伴随的安全性问题。聚合物电解质具有对锂金属稳定和界面浸润性好等优点，是解决锂金属电池问题的有效途径。但聚合物电解质仍然有诸多问题，如离子电导率较低、电化学窗口窄和力学性能差等，只有进一步的提高当前聚合物电解质的电化学性能和安全性，才能真正实现其规模化应用。设计具有新型结构的聚合物、引入纳米填料和采用离子液体等能提高聚合物电解质的部分性能，但要获得兼具优异电化学性能和力学性能的聚合物电解质仍然非常困难，需要开拓新的研究思路。

成果简介

清华大学深圳研究生院李宝华教授在《Journal of Materials Chemistry A》上发表了题为“High electrochemical stability of a 3D cross-linked network PEO@nano-SiO2composite polymer electrolyte for lithium metal batteries”的论文，报道了一种3D交联结构的复合聚合物电解质（3D-GCPE），创新性的采用表面接枝硅氧烷的纳米SiO2作为交联剂，起到了显著提高聚合物电解质电化学性能和力学性能的作用。该电解质的电化学性能优异，包括4.65×10-3 S cm-1的室温离子电导率，5.4 V（vs. Li/Li+）的宽电化学稳定窗口，以及0.45的锂离子迁移数。力学性能也较好，拉伸强度和断裂伸长率分别达到了8.95 MPa和181.9 %。该电解质对锂金属稳定性很好，组装的Li/3D-GCPE/LFePO4电池的循环性能和倍率性能优异，1C倍率下循环500圈后的容量保持率在90%以上，在10C的倍率下，仍能保持124 mAh g-1的高容量。另外，该电解质配合高电压正极材料，如4.5 V的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2和4.9 V的LiNi0.5Mn1.5O4，同样能表现出良好的循环性能。

研究亮点

1. 将环氧末端的硅氧烷接枝在纳米SiO2表面，能够使其与聚醚胺反应，起到了交联剂的作用，同时提升了凝胶聚合物电解质的电化学性能和力学性能。

2. 文章制备的三维交联结构的复合聚合物电解质具有优异的电化学性能，对锂金属负极稳定，组装的LFP电池循环500圈容量几乎没有衰减，电化学窗口宽，并能够配合高电压的正极材料进行循环。

3. 文章提供了一种提高凝胶聚合物电解质电化学性能的有效方法，并为高电压电解质的发展提供了新的研究思路。

图文导读

图一：该复合聚合物电解质的结构及制备工艺

该论文所制备的聚合物电解质具有一种有机/无机复合的三维交联网络，其通过在纳米SiO2表面接枝含反应官能团的硅氧烷，然后与两种PEO类单体加热聚合所得，制备过程简便，且无需使用引发剂。

图二：该复合聚合物电解质的XRD测试、拉伸测试及离子电导率测试

该复合聚合物电解质是一种非晶态的聚合物，添加少量的表面接枝的纳米SiO2（4wt%）即可获得高的力学性能和离子电导率，其室温离子电导率是传统隔膜和液态电解液体系的6倍。

图三：该复合聚合物电解质的电化学窗口测试、锂离子迁移数测试及对称电池的极化测试

文章研究表明，得益于添加的表面接枝的纳米SiO2的作用，从CV图中看出该复合聚合物电解质的电化学窗口高达5.4 V（vs. Li+/Li），且具有较高的离子迁移数和较好的对锂金属稳定性。

图四：该复合聚合物电解质组装的Li/3D-GCPE/LiFePO4电池性能测试、及阻抗和过电势分析

文章显示在匹配LiFePO4正极时，该复合聚合电解质取得了非常优异的循环性能和倍率性能，1C循环500圈后，容量仍能保持90%以上，10C倍率下具有124 mAh g-1的高容量，文章还分析了循环过程中的界面阻抗变化和过电势的变化。

图五：该复合聚合物电解质组装的Li/3D-GCPE/ LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2和Li/3D-GCPE/ LiNi0.5Mn1.5O4电池循环性能测试

文章显示在匹配4.5 V的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极和4.9 V的LiNi0.5Mn1.5O4正极时，该复合聚合物电解质亦能表现出较好的循环性能，这些效果归因于，加入表面接枝的纳米SiO2所带来电化学窗口的拓宽和稳定性的增加。

总结和展望

文章通过添加表面接枝硅氧烷的纳米SiO2作为交联剂，得到了一种电化学性能优异的复合聚合物电解质，其与锂金属负极具有极好的稳定性，并能够匹配高电压正极进行循环。该研究成果提供了一种提高聚合物电解质电化学性能的有效方法，并为高电压电解质的发展提供了新的研究思路。