第一作者：Yong Cheng

通訊作者：王鳴生

通訊單位：廈門大學(xué)

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基于聚氧化乙烯(PEO)的固態(tài)電池作為具有高能量密度和高安全性的下一代電池具有很大的前景。然而，基于PEO的電解質(zhì)遇到某些限制，包括較差的離子導(dǎo)電性、較低的Li⁺遷移數(shù)和較差的機(jī)械強(qiáng)度。

本論文提出了一種新型聚氧化乙烯(PEO)基固態(tài)電解質(zhì)(PL-ZCNF)，通過將兩性離子纖維素納米纖維(ZCNF)整合到含有雙(三氟甲磺酰基)亞胺鋰鹽(LiTFSI)的PEO基質(zhì)中，采用簡(jiǎn)單環(huán)保的水系澆鑄法制備。ZCNF的獨(dú)特兩性離子結(jié)構(gòu)賦予了其多種功能，包括破壞PEO結(jié)晶、解離鋰鹽、通過陽(yáng)離子基團(tuán)錨定陰離子、通過陰離子基團(tuán)加速Li⁺遷移，以及其固有的增強(qiáng)效果。因此，所制備的PLZCNF電解質(zhì)在60°C時(shí)展現(xiàn)出顯著的離子導(dǎo)電性(5.37 × 10^-4?S cm^-1)和Li⁺遷移數(shù)(0.62)，同時(shí)保持了9.2 MPa的機(jī)械強(qiáng)度和1.1 mA cm^-2的高臨界電流密度。由于PL-ZCNF的這些優(yōu)點(diǎn)，LiFePO₄|PL-ZCNF|Li固態(tài)全電池展現(xiàn)了卓越的倍率能力和循環(huán)性能(在5 C下具有900個(gè)循環(huán))。

值得注意的是，組裝的軟包電池在0.5 C和60°C下可以維持1000個(gè)循環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行，容量保持率達(dá)到了93.7%，凸顯了PL-ZCNF在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。

圖文導(dǎo)讀

圖1：ZCNF在全固態(tài)電池中PEO基固態(tài)電解質(zhì)的多重功能示意圖。

圖2：SSEs的制備和表征，包括合成過程的示意圖、XRD圖譜、SEM和LSCM圖像、拉曼光譜、FTIR光譜。

圖3：深入探討了ZCNF與LiTFSI之間的相互作用機(jī)制。

圖4：SSEs的電學(xué)、力學(xué)和熱性能，包括離子導(dǎo)電性的溫度依賴性、VTF擬合結(jié)果、電流-時(shí)間曲線、LSV曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖5：PL-ZCNF改善的電化學(xué)性能及相應(yīng)的機(jī)制分析。

圖6：SSEs在固態(tài)全電池和軟包電池中的實(shí)用性。

總結(jié)展望

本文開發(fā)的PL-ZCNF作為一種有前景的聚合物電解質(zhì)，用于高性能全固態(tài)鋰金屬電池。通過簡(jiǎn)單環(huán)保的水系澆鑄法將ZCNF整合到PEO基質(zhì)和LiTFSI中，實(shí)現(xiàn)了ZCNF的均勻分散和鋰鹽的有效解離。ZCNF中的多樣功能團(tuán)增強(qiáng)了Li⁺的遷移同時(shí)錨定陰離子，其固有的強(qiáng)度有效增強(qiáng)了PEO基質(zhì)，顯著提升了PL-ZCNF的Li⁺導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。得益于ZCNF的多功能性，PL-ZCNF展現(xiàn)了優(yōu)異的離子導(dǎo)電性、高Li⁺傳輸數(shù)、卓越的機(jī)械強(qiáng)度和可觀的臨界電流密度。因此，在高倍率條件下，全電池測(cè)試表現(xiàn)出卓越的倍率能力和穩(wěn)定的循環(huán)性能。特別是，固態(tài)LFP軟包電池在0.5 C和60°C下展現(xiàn)出超過1000個(gè)循環(huán)后93.7%的超高容量保持率。這項(xiàng)工作為開發(fā)具有最佳綜合性能的先進(jìn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)提供了新的設(shè)計(jì)原則和直接的合成策略。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：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