厦门大学王鸣生Angew：水系浇铸法革新固态电解质

第一作者：Yong Cheng

通讯作者：王鸣生

通讯单位：厦门大学

论文速览

基于聚氧化乙烯(PEO)的固态电池作为具有高能量密度和高安全性的下一代电池具有很大的前景。然而，基于PEO的电解质遇到某些限制，包括较差的离子导电性、较低的Li⁺迁移数和较差的机械强度。

本论文提出了一种新型聚氧化乙烯(PEO)基固态电解质(PL-ZCNF)，通过将两性离子纤维素纳米纤维(ZCNF)整合到含有双(三氟甲磺酰基)亚胺锂盐(LiTFSI)的PEO基质中，采用简单环保的水系浇铸法制备。ZCNF的独特两性离子结构赋予了其多种功能，包括破坏PEO结晶、解离锂盐、通过阳离子基团锚定阴离子、通过阴离子基团加速Li⁺迁移，以及其固有的增强效果。因此，所制备的PLZCNF电解质在60°C时展现出显著的离子导电性(5.37 × 10^-4 S cm^-1)和Li⁺迁移数(0.62)，同时保持了9.2 MPa的机械强度和1.1 mA cm^-2的高临界电流密度。由于PL-ZCNF的这些优点，LiFePO₄|PL-ZCNF|Li固态全电池展现了卓越的倍率能力和循环性能(在5 C下具有900个循环)。

值得注意的是，组装的软包电池在0.5 C和60°C下可以维持1000个循环的稳定运行，容量保持率达到了93.7%，凸显了PL-ZCNF在实际应用中的潜力。

图文导读

图1：ZCNF在全固态电池中PEO基固态电解质的多重功能示意图。

图2：SSEs的制备和表征，包括合成过程的示意图、XRD图谱、SEM和LSCM图像、拉曼光谱、FTIR光谱。

图3：深入探讨了ZCNF与LiTFSI之间的相互作用机制。

图4：SSEs的电学、力学和热性能，包括离子导电性的温度依赖性、VTF拟合结果、电流-时间曲线、LSV曲线、应力-应变曲线。

图5：PL-ZCNF改善的电化学性能及相应的机制分析。

图6：SSEs在固态全电池和软包电池中的实用性。

总结展望

本文开发的PL-ZCNF作为一种有前景的聚合物电解质，用于高性能全固态锂金属电池。通过简单环保的水系浇铸法将ZCNF整合到PEO基质和LiTFSI中，实现了ZCNF的均匀分散和锂盐的有效解离。ZCNF中的多样功能团增强了Li⁺的迁移同时锚定阴离子，其固有的强度有效增强了PEO基质，显著提升了PL-ZCNF的Li⁺导电性和机械强度。得益于ZCNF的多功能性，PL-ZCNF展现了优异的离子导电性、高Li⁺传输数、卓越的机械强度和可观的临界电流密度。因此，在高倍率条件下，全电池测试表现出卓越的倍率能力和稳定的循环性能。特别是，固态LFP软包电池在0.5 C和60°C下展现出超过1000个循环后93.7%的超高容量保持率。这项工作为开发具有最佳综合性能的先进固态聚合物电解质提供了新的设计原则和直接的合成策略。

文献信息

标题：Zwitterionic Cellulose-based Polymer Electrolyte Enabled by Aqueous Solution Casting for High-performance Solid-state Batteries

期刊：Angewandte Chemie International Edition

DOI：10.1002/anie.202400477