付丞寅AEM：聚离子液体基聚合物电解质助力5V级固态锂金属电池！

用于固态电池的聚合物固态电解质通常具有低离子电导率和低氧化稳定性。

瑞士联邦材料科学与技术研究所付丞寅等报道了一种基于聚合离子液体和离子液体增塑剂的聚合物电解质（PIL-IL），可同时提供 0.8 mS cm^-1的高室温离子电导率和> 5.0 V（相对于Li⁺/Li）的高氧化稳定性。

图1. PIL-IL的结构示意及表征

该聚合物电解质包含聚（二烯丙基二甲基铵）双（氟磺酰基）亚胺（PDADMAFSI）聚离子液体、N-丁基-N-甲基吡咯烷双（三氟甲基磺酰基）亚胺（PYR13FSI）增塑剂和双（氟磺酰基）亚胺锂（LiFSI）锂盐。选择PDADMAFSI和PYR13FSI是因为它们具有出色的化学稳定性和广泛的电化学稳定性窗口。与典型的锂离子配位聚合物基体相比，带正电荷的PDADMA⁺链减少了锂离子与聚合物的配位，从而促进了高锂离子迁移率。在LiFSI中，Li⁺和FSI^–之间具有低结合能，并且能够在与锂金属接触时形成稳定的界面相。

因此，制备的聚合物固态电解质表现出高离子电导率和宽电化学稳定性窗口，从而使锂金属负极与高压无涂层 LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811）和LiMn_1.5Ni_0.5O₄（LNMO）正极匹配时在室温下稳定循环。此外，该电解质具有优异的热稳定性，直接暴露于火焰时不易燃。

图2. PIL-IL电解质的电化学性质和热稳定性

研究显示，在对称锂金属电池中，该电解质能使锂负极在25 °C和 0.1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2条件下稳定循环超过1700小时。采用锂金属负极和无涂层NMC811正极的全电池，在25 °C和4.4 V截止电压下的初始容量为162 mAh g^-1，经过600次循环后容量保持率为72%。采用LNMO正极的电池在25 °C和5 V截止电压下的初始容量为132 mAh g^-1，循环300 次后容量保持率为76%。

此外，最新的工业预测表明，这种PIL-IL电解质的价格将低于80 $ kg^-1，受益于规模经济，PIL-IL电解质成为一种竞争性全固态电池技术，该技术有助于全固态锂金属电池达到欧盟委员会设定的电池级别 >400 Wh kg^-1和>1200 Wh L^-1的目标。

图3. 全电池性能

A Polymerized-Ionic-Liquid-Based Polymer Electrolyte with High Oxidative Stability for 4 and 5 V Class Solid-State Lithium Metal Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200412