第一作者：Yanfei Zhu, Zhoujie Lao, Mengtian Zhang

通訊作者：周光敏、侯廷政

通訊單位：清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院

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當(dāng)采用高介電性溶劑如 N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)增塑時(shí)，固態(tài)聚合物電解質(zhì)表現(xiàn)出增強(qiáng)的Li⁺電導(dǎo)率。然而，含DMF的電解質(zhì)在固態(tài)電池中的應(yīng)用受到陽(yáng)極表面持續(xù)DMF降解和由此產(chǎn)生的不穩(wěn)定固體電解質(zhì)界面導(dǎo)致的循環(huán)壽命差的阻礙。

本論文提出了一種新型的局部溶劑固定聚合物電解質(zhì)（LPE@Ni-DMF），用于長(zhǎng)壽命鋰金屬電池。通過(guò)合理設(shè)計(jì)的Hofmann-DMF配位復(fù)合物，解決了傳統(tǒng)含DMF電解質(zhì)在固態(tài)電池中循環(huán)壽命短的問(wèn)題。該復(fù)合物通過(guò)在Hofmann框架上工程化DMF作為固定配體，構(gòu)建了局部DMF富集界面，促進(jìn)了通過(guò)配體輔助傳輸機(jī)制的Li⁺導(dǎo)電。

在室溫下實(shí)現(xiàn)了6.5 × 10^-4 S cm^-1的高離子導(dǎo)電性，并在Li || Li對(duì)稱(chēng)電池中以0.1 mA cm^-2的電流密度穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)6000小時(shí)。當(dāng)與硫化聚丙烯腈正極配對(duì)時(shí)，全電池展現(xiàn)出1000個(gè)循環(huán)的延長(zhǎng)循環(huán)壽命。這項(xiàng)工作將促進(jìn)具有高離子導(dǎo)電性和長(zhǎng)循環(huán)壽命的實(shí)用聚合物基電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)。

圖文導(dǎo)讀

圖1：配體交換過(guò)程和Ni-DMF的晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)STXM成像技術(shù)分析檢測(cè)Ni-DMF，并使用DFT計(jì)算和XANES分析研究了配體交換過(guò)程中的局部結(jié)構(gòu)變化。

圖2：分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬揭示了Ni-DMF中Li+的傳輸機(jī)制。

圖3：LPE@Ni-DMF的物理化學(xué)性質(zhì)和耐久性分析。

圖4：實(shí)驗(yàn)研究和FEM模擬探討了LPE@Ni-DMF與Li金屬界面的穩(wěn)定性。

圖5：使用LPE@Ni-DMF的Li || SPAN固態(tài)電池的性能。

總結(jié)展望

本研究提出的局部溶劑固定聚合物電解質(zhì)設(shè)計(jì)，通過(guò)Ni-DMF添加劑的雙重功能，有效解決了含溶劑SPEs的穩(wěn)定性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在固態(tài)鋰電池（ssLSBs）中穩(wěn)定的循環(huán)性能。

LPE@Ni-DMF不僅顯著提高了離子導(dǎo)電性，還在極端操作條件下展現(xiàn)了優(yōu)異的性能。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，深入理解了Li⁺傳輸機(jī)制和界面穩(wěn)定性，為未來(lái)固態(tài)電池系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的設(shè)計(jì)原則和研究基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：A locally solvent-tethered polymer electrolyte for long-life lithium metal batteries

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48078-7