崔光磊/张焕瑞AM：选择性渗透聚合物电解质实现2000次循环双离子电池

允许可逆阴离子（脱）嵌入的石墨碳是一种很有前景的正极材料，可用于具有成本效益的高电压双离子电池（DIB）。然而，一个臭名昭著但被忽视的问题是界面阴离子脱溶剂化不完全，这不仅会降低电解液的氧化稳定性，还会导致溶剂共嵌入石墨层中。

中科院青岛能源所崔光磊、张焕瑞等首次开发了一种具有丰富阳离子季铵官能团(–N(CH₃)₃⁺)的“阴离子选择性渗透”聚合物电解质（PCME），以削弱PF₆^–-溶剂相互作用，从而促进PF₆^–脱溶剂化。

图1. 基于液态电解液（LE）或PCME的双离子电池中EMC共嵌入行为的比较

在这里，聚合物电解质在没有碳酸甲乙酯（EMC）伴生的情况下选择性嵌入PF₆^–的现象与细胞膜的选择性渗透功能非常相似，它只允许某些分子通过。由于强静电相互作用，PF₆^–阴离子优先与悬垂的阳离子链–N(CH₃)₃⁺而不是PCME中的EMC配位，从而削弱了PF₆^–-EMC相互作用以促进PF₆^–脱溶剂化。

结果表明，受调节的PF₆^–溶剂化结构减轻了EMC共嵌入并保持了石墨的结构完整性。同时， PF₆^–-EMC结构浓度的降低也增强了EMC基电解质的氧化稳定性。

图2. 石墨||Li双离子电池性能

因此，组装好的石墨||Li双离子电池实现了优异的循环性能，平均库仑效率为 99.0%（基础电解质为95.7%），2000次循环后容量保持率为 87.1%，即使在高截止电位为5.4 V vs Li⁺/Li。

此外，这种聚合物还形成了坚固的正极电解质界面，共同作用使双离子电池具有长循环寿命。这种调节阴离子配位环境的策略为调节双离子电池的溶剂共嵌入化学提供了一个有前景的解决方案。

图3. 循环后石墨电极的表征

A PF6−-Permselective Polymer Electrolyte with Anion Solvation Regulation Enabling Long-cycle Dual-ion Battery. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202108665

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