锂金属电池，包含基于金属锂的阳极，是有前途的可充电电池，可以帮助满足电子工业日益增长的需求。这些电池具有各种优点，包括高能量密度和快速充电时间。

　　研究人员最近一直在尝试设计新的电解质，以进一步提高锂金属电池的性能。这些通常是有机液体电解质或无机固体电解质。

　　虽然其中一些电解质的性能比其他电解质更好，但液体和固体替代品都有很大的局限性。有机液体电解质会危及电池的安全性，而无机固体电解质通常表现出很高的界面电阻，这是由于固体电解质和固体电极之间接触不良造成的。

　　聚合物电解质是现有液体和固体电解质的潜在替代品。通过利用聚合物的优势特性，这些电解质可以克服以前引入的电解质的局限性。

　　马里兰大学、伊利诺伊大学和其他研究所的研究人员最近推出了一种用于锂金属电池的新型高浓度固体聚合物电解质。发表在《自然能源》杂志上的一篇论文概述了他们提出的电解质，通过保持良好的机械强度，消除聚合物中的界面，抑制锂枝晶的生长，可以提高锂金属电池的安全性、稳定性和能量密度。

　　“聚合物电解质可以利用液体电解质的低接触电阻和固体电解质的高安全性，但仍然存在两个问题:低离子电导率和阳极和界面处的Li枝晶生长，”马里兰大学王春生小组的博士生、该论文的第一作者张伟然告诉Tech Xplore。

　　“为了克服这些挑战，我们从最先进的高浓度液体电解质中汲取灵感，其中高浓度的锂盐促进了Li+的传导，并形成了保护性的固体电解质界面(SEI)，以抑制阳极的Li枝晶生长。”

　　高的Li-salt浓度可以促进富无机SEI的形成，从而抑制Li枝晶的生长，但也会损害聚合物的机械强度。张和他的同事们开始设计一种方法来设计高浓度的聚合物混合物，同时保持良好的机械强度。

　　他们的方法建立在先前研究中收集的见解之上，即添加另一种成分来增强机械强度。然而，以往的研究也发现固体电解质内部的界面可以促进锂枝晶的生长。因此，研究人员假设聚合物应该是相互混溶的，这将消除这种界面。

　　基于这一假设，他们随后筛选了各种聚合物的组成，并最终设计了一种新的有前途的聚合物电解质。这种电解质是基于两种可混溶聚合物的共混物。

　　“我们建议使用两种可混溶聚合物:一种锂离子导电聚合物和一种氟基惰性聚合物，”张解释说。“锂盐(锂二(氟磺酰基)亚胺)含量高的锂离子导电聚合物(聚(二(三氟乙氧基)磷腈)可作为锂枝晶抑制剂，形成SEI层，阻断锂枝晶并防止短路。同时，惰性聚合物(聚偏氟乙烯-共六氟丙烯)增加了聚共混物的机械强度。”

　　研究人员发现，这种混相共混物获得了有利的结合特性。具体来说，他们发现他们提出的混合物增强了电解质的机械强度，同时保持了对锂的高稳定性，并使其更能抵抗锂枝晶。新电解质还表现出优异的高压稳定性，超过了以前引入的聚合物电解质。

　　“总之，我们的新型固体聚合物电解质结合了高机械强度和稳定性，展示了与锂金属和高压阴极的兼容性，”该小组的首席研究员王春生教授说。“传统聚合物电解质在与锂金属阳极配对时表现出有限的稳定性，导致库仑效率在90%-98%之间。在我们的工作中，我们将这一指标提高到99%以上，这是迄今为止报道的最先进的性能之一。”

　　张说:“大多数聚合物电解质在低电位下被氧化，因此它们与典型的4.2 V阴极在电化学上不兼容。”“另一方面，我们的聚合物电解质显示出与4.5V高能LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NMC811)阴极的兼容性。锂金属阳极和高压阴极稳定性的大幅提高代表了聚合物电解质的重大突破。”

　　Zhang和他的同事们最近的工作介绍了一种设计策略，可以帮助克服聚合物电解质的常见局限性。该团队的目标不是仅仅报告几种单独的电解质，而是引入一种设计原则，可以很快用于筛选其他聚合物混合物并制造新的聚合物电解质。

　　Wang和他的团队希望他们的设计能够促进聚合物电解质的大规模部署和商业化。他们提出的设计策略也可能很快导致为小型智能设备引入一种新型高能量和安全的锂金属电池。

　　“到目前为止，我们论文中提出的概念已经在相对较小的规模上得到了证明和实现，比如硬币电池和小袋电池，”王补充说。“下一步，我们的目标是扩大应用范围，包括大量生产电解质。我们计划将这些电解质整合到大型、高容量的多层袋状电池中，以评估其商业化潜力。此外，我们将进行进一步的测试，以评估使用这些聚合物电解质的电池的可燃性和安全性。”

　　更多信息:张蔚然等，锂金属电池的单相局部高浓度固体聚合物电解质，自然能源(2024)。DOI: 10.1038/s41560-023-01443-0期刊信息:Nature Energy

　　?2024 Science X Network

　　引用一个新的高跟鞋

　　高压锂离子电池用浓缩固体聚合物电解质

　　tal batteries(2024年，2月9日)检索自https://techxplore.com/news/2024-02-high-solid-polymer-electrolyte-voltage.html

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