北京化工大學隋剛：原位構建自增強凝膠聚合物電解質可大大提高鋰金屬電池的安全性
DOI: 10.1002/advs.202103663
鋰金屬電池（LMB）具有較高的理論容量，是一種很有前途的先進儲能裝置。然而，鋰枝晶和電解液洩漏對其安全性和穩定性提出了挑戰。在此，研究者透過在奈米纖維骨架中原位聚合1,3-二氧戊環（DOL）建立了自增強凝膠聚合物電解質（GPE），以提高LMB的安全性。與商用隔膜相比，奈米纖維膜與聚DOL（PDOL）具有更好的親和力，可用於構建具有增強離子電導率的均質GPE。此外，在奈米纖維膜上引入聚多巴胺與PDOL和雙（三氟甲基磺醯基）醯亞胺陰離子形成氫鍵，顯著提高了GPE的機械強度、離子電導率和轉移數。此外，還利用分子動力學模擬揭示了高離子電導率和增強效應的內在因素。因此，使用自增強GPE的LiFePO4//Li電池在2C的高電流密度下進行800次迴圈期間顯示出優異的迴圈穩定性，每個迴圈的容量衰減為0.021%，有效抑制了鋰枝晶的生長。這種巧妙的策略有望在當前電池生產的基礎上製造出效能先進、安全性較高的LMBs。
圖1.a）透過原位聚合製備3D PDOL@PDA/PVDF-HFP凝膠聚合物電解質。PDA/PVDF-HFP膜和PDOL@PDA/PVDF-HFP GPE的SEM影象。b,c）表面和d）橫截面。（插圖是PDOL@PDA/PVDF-HFPGPE的光學影象）。e）PVDF-HFP和PDA/PVDF-HFP膜的XPS光譜。f）原位聚合PDOL的GPC曲線。g）PDOL和DOL的1H和13C NMR譜。
圖2.a）DOL、PDOL、PVDF-HFP和PDA/PVDF-HFP膜，以及PDOL@PVDF-HFP和PDOL@PDA/PVDF-HFP GPEs的FTIR光譜及b,c）其部分放大圖。d）PDOL中O原子與PDA中-NH-和-OH基團的H原子，或PVDF-HFP中的F原子或PP中的C原子的徑向分佈函式g（r）。e）從PDOL和PDA、PP、PVDF-HFP的MD模擬中獲得的快照。f）鏈運動過程中PDOL鏈與不同膜鏈之間的相對位置變化示意圖。g）三種膜的接觸角。（插圖是這三種膜在吸收聚合物前體3秒後的照片）。h）PVDF-HFP和PDA/PVDF-HFP膜以及PDOL@PVDF-HFP和PDOL@PDA/PVDF-HFP GPEs的應力-應變曲線。
圖3.PDOL@PP、PDOL@PVDF-HFP和PDOL@PDA/PVDF-HFP電池的基本電化學效能。a）配備PDOL@PP、PDOL@PVDF-HFP和PDOL@PDA/PVDF-HFP的電池在2mV步進電壓下的奈奎斯特圖，b）阿倫尼烏斯圖，c）線性掃描伏安（LSV）曲線和d-f）計時電流曲線（插圖顯示極化前後的EIS圖）。
圖4.a,b,d）配備PDOL@PP、PDOL@PVDF-HFP、PDOL@PDA/PVDF-HFP GPEs和市售電解液的電池在25℃下的迴圈效能和c）倍率效能。e,f,g）配備上述GPEs的LiFePO4//Li電池在不同電流密度下的充放電電壓曲線，h）PDOL@PDA/PVDF-HFP電池在2C下進行不同迴圈的充放電電壓曲線。
圖5.在鋰金屬上電化學電鍍三種GPEs的示意圖，迴圈後從電池上拆下的相應鋰金屬表面的SEM影象和F1s XPS光譜：a,d,g）PDOL@PP電池；b,e,h）PDOL@PVDF-HFP電池，以及c,f,i）PDOL@PDA/PVDF-HFP電池。
圖6.配備市售電解質和所製備GPEs的對稱電池的長期迴圈和倍率效能：a）1mA/cm2和c）2mA/cm2下的長期迴圈效能（插圖是三個時間段的放大電壓曲線），b）倍率效能。d）配備PDOL@PDA/PVDF-HFP GPE的LiFePO4//Li軟包電池經切割後點亮LED燈。
