研究背景
迄今为止,商业化锂离子电池多采用具有挥发性和易燃性的有机电解质,存在一系列安全问题。而固态电解质因其固有的高安全性和良好的热稳定性,受到广泛关注。其中,聚合物电解质(spe)具有柔性、制造工艺简单和界面接触良好等优势,但也存在室温离子电导率低、正负极界面稳定性差,以及相对较窄的工作电压窗口等问题。将活性无机填料分散在聚合物基体中,形成复合聚合物电解质(cpes),有利于提高离子电导率和机械强度。此外,增塑剂的引入可以进一步提高cpe的离子电导率。
然而,单一的cpe能隙仍然很窄,不能扩大电解质的电化学窗口。构建双层聚合物电解质有望解决上述问题。然而,双层spe会造成额外的聚合物/聚合物电解质界面电阻、低电解质界面兼容性和不连续的li迁移路径。因此,需要设计和构建具有高离子电导率、低界面电阻和强抗氧化能力的双层spes。
成果简介
近日,上海硅酸盐研究所黄富强教授和卧龙岗大学nana wang在advanced materials上发表了题为“quasi-double-layer solid electrolyte with adjustable interphases enabling high-voltage solid-state batteries”的论文。该工作通过向聚偏二氟乙烯(pvdf)基cpe中添加具有高氧化稳定性(碳酸丙烯酯)和高还原稳定性(二甘醇二甲醚)的增塑剂,提出了一种新型准双层复合聚合物电解质(qdl-cpes)。碳酸亚丙酯的原位聚合,可以形成正极电解质界面(cei)膜,增强抗氧化能力。二甘醇二甲醚与pvdf之间的亲核取代反应增加了电解质在负极侧的还原稳定性,抑制锂枝晶形成。qdl-cpes具有高离子电导率、宽电化学窗口、稳定的电极/电解质界面,且没有额外的电解质-电解质界面电阻。因此,qdl-cpe提高了ncm811//qdl-cpe//硬碳全电池在室温下的循环性能。
研究亮点
(1)将还原稳定性高的二甘醇二甲醚(dgm)添加到与负极接触的pll-cpe(d-pll-cpe)中,将易聚合的碳酸丙烯酯(pc)添加到与正极接触的pll-cpe(p-pll-cpe)中,使接触正、负极的cpe具有不同的表面特性,且没有额外的电解质-电解质界面电阻;
(2)通过pc的原位聚合在ncm811上形成了人造cei层,从而增强了p-pll-cpe的抗氧化能力;
(3)在负极侧,由于dgm中的含氧官能团与pvdf的亲和力较强,拓宽了d-pll-cpe的电压窗口,促进了锂盐的解离,改善了锂离子的传输。
图文导读
1. qdl-cpe设计和物理特性
图1、a)qdl-cpe和pssb的设计策略示意图;b-d)sem图像和e)qdl-cpe老化前后的离子电导率。
图1a显示,为了同时满足正极侧高压兼容性和负极侧低的负极反应性,在pll-cpes中加入不同的增塑剂pc和dgm,得到p-pll-cpe和d-pll-cpe,形成qdl-cpe。与传统的双层cpes不同,qdl-cpes的设计除了增塑剂外,基本成分相同,可以消除不同电解质的接触界面,从而避免高的界面电阻。因此,基于pvdf、llzo、litfsi和pc或dgm的分子间相互作用,qdl-cpe有望在正极和负极上实现高电压兼容性、高离子电导率和电极/电解质界面稳定性。
扫描电子显微镜(sem)图像显示(图1b-d),与单一cpe相比,初始qdl-cpe中存在可见的聚合物/聚合物界面。然而,老化后,qdl-cpes中的可见界面消失了,这意味着qdl-cpes中几乎没有界面电阻。此外,图1e显示,在老化前,由于qdl-cpe中聚合物/聚合物界面的存在,单一cpe显示出比qdl-cpe更高的离子电导率。老化后,它们显示出相似的离子电导率,室温下约为1.3×10-4s cm-1,进一步证实qdl-cpe中的d-pll-cpe和p-pll-cpe之间几乎没有界面阻抗。因此,qdl-cpe可以保持高离子电导率、紧密的电极-电解质界面,并有望在正、负极应用上具有独特的界面电化学特性。
图2a-c显示,p-pll-cpe能够完全包覆ncm811颗粒,并构建共形涂层,形成厚度为15-30 nm的人造cei层。在人造cei层和ncm811之间没有产生空隙(图2c),意味着它在循环过程中是稳定的,且没有接触损失。
图2、 a,b)5个循环前后,p-pll-cpe中ncm811的sem图像;c)p-pll-cpe中ncm811 5个循环后的tem图像;d,e)d-pll-cpes中硬碳在5个循环前后的sem图像;f)5个循环后,d-pll-cpe中硬碳的hrtem图像;ncm811正极侧p-pll-cpe的g)f1s和h)c1s的高分辨率xps光谱;硬碳负极侧d-pll-cpe的i)f1s和j)c1s的高分辨率xps光谱。
对于负极侧,由于锂金属的不稳定性,锂负极被硬碳取代。图2d显示,硬碳覆盖有一层d-pll-cpe,表明硬碳与d-pll-cpe具有良好的兼容性。sem和高分辨率透射电子显微镜(hrtem)图像(图2e、2f)显示,循环后硬碳上的d-pll-cpe层消失,表明负极侧没有钝化层,这将有利于锂离子的运输。
此外,xps显示,在pvdf基电解质中原位形成了lif(图2g-j)。预先形成的lif分散在电解质中,li导体的空间电荷层,促进离子传输(图2g和2i)。图2h和2j显示,循环后c1s的信号基本保持不变,表明lif的形成没有影响聚合物的稳定性。
2. 电解质键合和氧化还原特性的分析
图3、p-pll-cpe的a)ftir光谱和b)ssnmr光谱;c)基于密度泛函理论(dft)计算电解质组分的homo和lumo能级;d-pll-cpe的d)ftir光谱和e)ssnmr光谱;f)解离能和吸附能的比较。
为了深入了解电解质中的分子间相互作用,通过傅里叶变换红外光谱(ftir)和固态核磁共振(ssnmr)对p-pll-cpes和d-pll-cpes进行了表征。图3a显示,1400和1790 cm-1处的峰归因于p-pll-cpe中pc的c-o-c和c=o振动。在与ncm811混合后向低波数转移,表明pc在ncm811表面聚合成ppc。ssnmr中的13c进一步证实了这一点(图3b)。19 ppm处的峰归因于p-pll-cpe中的pc增塑剂,当与ncm811混合时,该峰向低角度移动,说明pc发生开环聚合。当pc聚合成ppc时,homo轨道能的降低表明,氧化稳定性提高(图3c),更有利于保护处于充电状态的正极材料。
在d-pll-cpe的制备过程中,dgm中c-o-c振动(图3d)从1100 cm-1转移到1175 cm-1,表明dgm和pvdf之间发生了亲核取代反应。此外,在ssnmr谱中,pvdf中44 ppm的c-h峰明显分裂,表明dgm与pvdf的c-h键相连(图3e)。将d-pll-cpe与硬碳混合后,共聚物(pvdf-dgm)没有结构变化,即使在循环后也没有变化(图3b)。pvdf中的氢被dgm取代后,lumo从-0.77 ev变为-0.38 ev,提高了d-pll-cpes的还原稳定性(图3c)。此外,pvdf-dgm对li的吸附能(-379.63 kj/mol)高于pvdf对li的吸附能(-369.46 kj/mol)(图3f),表明pvdf-dgm更有利于litfsi的解离,从而增强li的传输。
3. 原位电化学共焦系统(eccs)测试
图4、a)循环期间的充放电曲线和体积变化;b)在不同充放电状态下的照片。
负极/电解质界面上的锂枝晶生长和循环过程中电极的膨胀和收缩变化,会破坏电极-电解质界面,导致电池的电化学性能变差。因此,采用原位eccs表征来研究d-pll-cpe/硬碳界面的结构和化学稳定性。图4a显示,基于插层机制,硬碳几乎没有体积膨胀。d-pll-cpes充电时收缩,放电结束时膨胀。
图4b显示,在老化前后可以观察到紧密的d-pll-cpe/硬碳界面。li插入后,硬碳区变黄。当脱出li时,颜色逐渐恢复到之前的状态。但插入的li不能完全脱出,导致库仑效率(ce)损失。然而,在硬碳和d-pll-cpe之间的界面处,没有形成锂枝晶。稳定且紧密的d-pll-cpes/硬碳界面,可以降低局部电位,从而避免锂枝晶的形成。此外,在d-pll-cpes/硬碳界面中,没有发现接触失效,这将有助于实现优异的倍率性能和循环稳定性。
4. pssb的电化学特性
图5、ncm811//qdl-cpes//li的a)充放电曲线和b)在1 c下的循环性能;c)ncm811//qdl-cpes//硬碳的充放电曲线;d)基于不同电解质的pssb的循环性能;e)ncm811//qdl-cpes//硬碳在不同循环下的eis光谱;f)基于不同电解质的pssb倍率性能;g)ncm811//qdl-cpes//硬碳在1 c下的长循环性能。
图5a-b显示,当将高压ncm811正极与锂金属负极匹配时,ncm811//qdl-cpes//li电池在3-4.8 v的电压范围内,显示出82.8%的高初始库伦效率(ice),100次循环后保持136.5 mah g-1的比容量,没有形成锂枝晶,表明qdl-cpe具有高抗氧化能力,宽电化学窗口和稳定的界面特性。图5c显示,ncm811//qdl-cpes//硬碳电池的ice为74.2%。此外,与纯p-ppl-cpe和d-ppl-cpe电池相比,qdl-cpe电池具有更高的容量和更长的循环稳定性(图5d),说明qdl-cpe可以满足不同的正、负极界面特性要求。
图5e显示,多次循环后电荷转移电阻(rct)变小,但界面电阻(rf)几乎保持不变。这意味cei是稳定的,在循环过程中没有形成新的钝化层,并且电极材料没有结构变化。较小的rct将有利于提升倍率性能。ncm811//qdl-cpes//硬碳电池在0.1、0.2、0.5、1和2 c时的容量,分别为174.6、167.4、132.1、109.2和87.9 mah g-1。当电流密度恢复到0.1 c时,容量恢复到170.1 mah g-1(图5f)。即使在1 c下,200次循环后仍具有80.2%的容量保持率(图5g)。
总结与展望
本文通过将不同种类的增塑剂pc和dgm引入pvdf/llzo/litfsi cpe中,提出了qdl-cpe的新概念。在qdl-cpe中,没有额外的电解质-电解质界面电阻,且可以同时实现高离子电导率、宽电化学窗口和界面稳定性。双层电解质使得在正、负极上形成不同的界面,其中在ncm811正极侧可以获得稳定的类cei层,而在硬碳负极上则不含sei。此外,在循环过程中没有生成锂枝晶。其次,pc的原位聚合可以增强p-pll-cpes的抗氧化稳定性,而dgm和pvdf的亲核取代反应,可以提高d-pll-cpes的低电压稳定性。最后,pvdf-dgm更有利于锂盐的解离,促进li的传输。所有这些优点都提高了ncm811//qdl-cpes//硬碳全电池在室温下的电化学性能。
文献链接
quasi-double-layer solid electrolyte with adjustable interphases enabling high-voltage solid-state batteries. (advanced materials,2021, doi: 10.1002/adma.202107183)
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