第一作者：Xiangnan Yu

通訊作者：柳明, 賀艷兵, Liliang Wang

通訊單位：清華大學深圳國際研究生院，帝國理工學院

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本研究旨在通過減弱離子配位來提高復合固態(tài)電解質的離子導電性。作者們發(fā)現，通過在聚偏氟乙烯(PVDF)基固態(tài)聚合物電解質中引入陶瓷填料，可以進一步提高離子導電性。然而，對于鋰離子(Li+)在陶瓷填料中的脫溶劑化過程及其能壘的理解仍然有限。

本研究中，通過引入聚甲基氫硅氧烷(PMHS)，可以減弱離子-溶劑的配位作用，形成松散配合的[Li(DMF)x]+，降低其脫溶劑化能量。這促進了快速的陶瓷參與的Li⁺傳輸路徑，使得電解質在環(huán)境條件下具有高達7.5 × 10^?4 S cm^-1的離子導電性。此外，脫溶劑化過程的簡化可以增強電極/電解質界面的反應動力學并減少副反應。

因此，固態(tài)Li?Li對稱電池可以運行超過11,800小時，而LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂|Li固態(tài)電池在2C的條件下展示了超過2200個循環(huán)的卓越循環(huán)穩(wěn)定性。

圖文導讀

圖1：展示了溶劑化Li離子在SSEs中的脫溶劑化機制。(a) PL和PPL電解質中的Li離子傳輸路徑示意圖；(b) PVDF、PL和PPL電解質的拉曼光譜；(c) FTIR光譜；(d) MAS 6Li固態(tài)核磁共振譜；(e) 通過DFT方法計算的PVDF?PMHS、d-PVDF和PVDF中Li離子的脫溶劑化能量。

圖2：SSEs的性能。(a) PVDF、PL和PPL電解質的阿倫尼烏斯圖和LSV曲線；(b) Li|PPL|Li對稱電池在極化前后的chronoamperometry曲線和EIS圖；(d) 使用PVDF、PL和PPL電解質的Li|Li對稱電池的CCD測試。

圖3：25°C下固態(tài)電池的電化學性能。(a) (b) Li|Li對稱電池在0.1 mA cm?2和1 mA cm?2電流密度下的恒流充放電曲線；(c) NCM811|Li電池在2C下的循環(huán)性能；(d) 在1.6 mAh cm?2和(e) 3.1 mAh cm?2陰極面容量下的NCM811|PPL|Li電池的循環(huán)性能；(f) NCM811|Li固態(tài)軟包電池在0.5C下的循環(huán)性能。

圖4：電極的結構演變和界面化學。(a) (b) 循環(huán)100次后的NCM-PL和NCM-PPL的TEM和FFT圖像；(c) 循環(huán)100次后的Li-PL和Li-PPL的SEM圖像；(d) (e) 循環(huán)100次后的NCM-PL和NCM-PPL的C 1s和Si 2p XPS光譜；(f) (g) 循環(huán)100次后的Li-PL和Li-PPL的C 1s和N 1s XPS光譜；(h) (i) Li陽極表面附近NCO?和SO2 ?的ToF-SIMS深度分布曲線和3D重建圖像。

總結展望

本研究的亮點在于通過引入PMHS成功降低了Li+的脫溶劑化能量，從而顯著提高了PVDF基CSEs的離子導電性。

通過這種策略，設計的PVDF?PMHS-LLZTO (PPL) CSE在25°C下實現了7.5 × 10^?4 S cm^?1的高離子導電性，并且固態(tài)Li?Li對稱電池能夠穩(wěn)定運行超過11,800小時，LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂|Li固態(tài)電池在2C的條件下展示了超過2200個循環(huán)的卓越循環(huán)穩(wěn)定性。此外，PPL電解質還表現出更高的起始氧化電位和轉移數，這有助于減少電極/電解質界面的副反應，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。

這些發(fā)現為提高固態(tài)鋰電池的性能提供了新的思路，并為未來的電池設計和應用奠定了堅實的基礎。

文獻信息

標題：Weakening Ionic Coordination for High Ionic Conductivity Composite Solid Electrolytes

期刊：ACS Energy Letters