四川大学王玉忠院士/吴刚教授团队 Nat. Commun.：锂电池的高火安全性液态聚合物电解质

固态聚合物电解质（SPE）作为低安全性的小分子有机液态电解质（LE）未来的潜在替代者之一，在高比能的锂电池中极具发展前景。然而，其实际应用面临界面性能差和离子电导率低两大关键挑战。现有的解决策略主要是在SPE中引入适量有机溶剂或增塑剂，但这违背了其安全性设计的初衷。因此，高比能锂电池在发挥性能优势的前提下高效解决火、热安全问题，成为实现其大规模实际应用的关键。

近期， 四川大学王玉忠院士 、 吴刚教授团队 从 SPE 和 LE 的各自 特点出发，取二者之长，补其短，提出了不含任何小分子溶剂和增塑剂的室温液态 聚合物电解质（ LPE ）的概念（图 1a ）。 该工作以 “Non-flammable solvent-free liquid polymer electrolyte for lithium metal batteries” 为题发表在《 Nature Communications 》上（ Nat Commun  2023 ,  14, 4617 ）。文章的第一作者是四川大学 化学学院教育部环境与火安全高分子材料协同创新中心 朱国锐 博士 ，文章通讯作者是 王玉忠 院士 和 吴刚教授 。

图 1.  L PE 的优势对比及在锂电池中表现出的多方面优点

基于分子结构设计，该团队成功合成了具有磷腈主链和甲氧基三乙氧基侧链的室温下液态的刷状 聚合物分子 PPZ 。 将 PPZ 与锂盐复合制备得到了液态 聚合物电解质 LPE 。相比于传统 SPE 和 LE ， LPE 表现出优异的 综合性能和多功能性 （图 1b ） ，即： P PZ 主链结构中丰富的 N 、 P 元素赋予 了 L PE 不燃性，同时参与 形成富 Li ₃ N 和 Li ₃ PO ₄ 的 SEI 层， 使得 SEI 层 具有柔性、热稳定性和良好的离子迁移能力，进而显著抑制了界面副反应和锂枝晶生长；含醚氧基的致密侧链避免了聚合物分子的链缠结和结晶，确保了更好的链段运动能力，以及 N 、 O 原子通过配位 对锂盐解离、运输的促进作用；室温粘性可流动的特点，使得 LPE 不仅能够很好的浸润活性电极颗粒，并维持界面完整性，而且在高温和机械滥用时又不会从电池中泄漏。基于此， LPE 赋予了锂电池优异的稳定性、循环性能及防火、耐热、耐真空、耐机械滥用等多方位的安全性。这项工作为锂电池面临的一系列安全问题提供了全新的解决 思路。

图 2 PPZ 表征及其 LPE 阻燃性测试

如图 2 所示 ，合成的高分子量 PPZ 具有 明确的结构，在室温下流动性良好，将其与锂盐复合 制备得到 LPE ，使用电弧点火枪和丁烷气喷枪均 无法点燃 L PE ， 其对应的自熄时间（ SET ）均为 0 。

图 3 LPE 基锂电池组装及电池性能

LPE 填充到多孔隔膜中能够得到稳定的三维结构，不发生宏观上的泄露。 如图 3 所示 ， LPE 基 电池在 0.5 C ， 50 ℃ 至 120 ℃ 范围内都具有可观的容量 ； 在 60 ℃ 和 90 ℃ 下，可稳定循环 1000 圈，平均库伦效率＞ 99.5% ；在 2 C ， 120 ℃ 下可稳定循环 100 圈 ；综合锂电池的放电容量、循环倍率、循环次数、工作温度， LPE 与已报道的聚合物电解质体系相比具有显著优势 。

图 4 LPE 基锂电池的 综合安全性测试

如图 4 所示 ，无溶剂的 LPE 能够显著抑制电池热失控 ； 基于 LPE 的软包电池能够稳定循环 80 圈且容量没有衰减，库伦效率 ＞ 99% ；软包电池在高达 210 ℃ 的 高温下仍然能正常工作，且在真空 下加热 90   ℃也能正常使用； LPE 赋予了软包电池阻燃性；此外 ， LPE 基软包电池能抵抗穿刺、剪切等物理破坏。

该研究得到 国家自然科学基金、四川大学理科特色方向培育计划等项目的资助。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40394-8

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