具有自修复性能和高离子导电率的锂离子电池凝胶电解质

来源：高分子科学前沿

近年来，锂离子电池在电子产品、电动交通工具和清洁能源储能等领域得到了广泛应用。然而，随着锂离子电池市场应用的快速增长，锂离子电池的安全性问题日益凸显。特斯拉电动汽车的自燃和三星Note7手机的爆炸事故均起因于其锂离子电池发生短路继而引发内部的液态电解质受热燃烧。因此，发展固态电解质来替代传统的易燃液态电解质是从本质上提升锂离子电池安全性的必由之路。然而，固态电解质的离子导电率偏低是阻碍其实用化的最关键因素。同时，为了降低固态电解质的内阻以及提高锂离子电池的体积能量密度，固态电解质在实际应用中的厚度通常控制在几十到上百微米的尺度。如此薄的固态电解质在电池组装过程中或电池受到外力冲击的情况下极易发生破损继而导致电池短路。因此，发展具有高离子导电率同时能够自发修复机械损伤的固态电解质对于提高锂离子电池的安全性和可靠性至关重要。

图1. (a,b) 聚离子液体(PIL-UPy)的合成及凝胶电解质的制备，(c) 凝胶电解质及其柔性的照片展示，(d) 基于凝胶电解质所组装的锂离子电池结构。

近日，吉林大学孙俊奇教授研究小组报道了一种具有自修复性能和高离子导电率的柔性固态凝胶电解质。该凝胶电解质由含有2-脲基-4[H]啶酮（UPy）基团的聚离子液体，咪唑类离子液体和锂盐（双三氟甲烷磺酰亚胺锂）的丙酮溶液经溶剂挥发和热压的方法制备而成（图1）。其中，UPy基团间的四重氢键将聚离子液体交联从而形成了稳定的聚离子液体网络。同时，由于聚离子液体和离子液体的相容性和静电相互作用，上述聚离子液体网络可以负载大量的离子液体（离子液体为聚离子液体质量的3.5倍）从而形成了固态的离子液体凝胶（Ionogel）电解质。该凝胶电解质的离子导电率高达1.41×10-3S/cm，同时表现出良好的柔性、弹性和优异的不可燃烧性质。基于该凝胶电解质组装的Li|Ionogel|LiFePO4电池表现出了良好的充放电循环性能，该电池在0.2C倍率下循环120周期后的放电容量和库伦效率分别为147.5mAh g-1和99.7%（图2），上述性能均优于同等条件下以离子液体或传统的液态电解液作为电解质所组装的电池。更为重要的是，由于该凝胶电解质内部基团间可逆的氢键和静电相互作用，其发生断裂后可在55℃的条件下自发修复损伤，修复过程亦可在组装好的电池中原位进行。电池性能测试表明凝胶电解质发生断裂后会导致电池充放电性能的迅速丧失，而将其在电池中原位修复后，电池的充放电循环性能能够得以恢复和保持（图3）。

图2. (a) Li|Ionogel|LiFePO4电池在0.2 C倍率下的循环性能及其与离子液体及传统液态电解液作为电池电解质的对比，(b) Li|Ionogel|LiFePO4电池的倍率性能。

图3. (a) 断裂后的凝胶电解质在电池外或电池内的修复。(b) 组装有断裂后并经过修复的凝胶电解质的Li|Ionogel|LiFePO4电池的循环性能及其与断裂后未经修复的凝胶电解质的对比。

该研究工作发展了兼具自修复性能和高离子导电率的柔性凝胶电解质材料，其同时表现出不可燃烧性质以及与锂离子电池电极间良好的界面粘合性能。该凝胶电解质在保证锂离子电池良好充放电循环性能的同时，可大大提高电池的安全性、可靠性和使用寿命。同时，该凝胶电解质对于发展可拉伸、可修复柔性锂离子电池具有重要的借鉴意义。该工作以“Healable,Highly Conductive, Flexible, and Nonflammable Supramolecular IonogelElectrolytes for Lithium-Ion Batteries”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上(DOI:10.1021/acsami.9b02182)。