北京科技大学连芳教授AFM：兼顾机械稳定性和优异电化学性能的固态聚合物电解质
发表时间：2024-08-16 09:35
图1 多重氢键聚合物PNPU的性能表征
通过测试分析得出，合成的PNPU具有优异的自修复性能以及机械性能。
图2 PNPU以及PNPU-PVDF聚合物体系中氢键分布概况
通过测试分析以及模拟计算验证PNPU中含有多重氢键模式，并且随着PNPU引入PVDF-HFP中，PNPU-PVDF-HFP聚合物体系中维持原有多重氢键模式。
图3PNPU-PVDF-HFP的基本理化性能表征
合成的复合聚合物电解质PNPU-PVDF-HFP在膜结构上相较于PVDF-HFP电解质膜更加致密，在热稳定性与机械性能等基本理化性能上均有提升，此外PNPU的引入增加了聚合物体系中无定形区域的占比，有利于聚合物的链段振动传导离子。
图4 PNPU-PVDF-HFP固态电解质的电化学性能表征
合成出的PNPU-PVDF-HFP电解质在室温下具有高离子电导率（4.13×10-4 S cm-1）与宽电化学窗口（4.8 V），此外通过固态核磁以及模拟计算均可验证：在PNPU-PVDF-HFP电解质中存在双重的锂离子传输通道，因此能提升锂离子在复合电解质中的扩散速率。
图5 PNPU-PVDF-HFP对于金属锂的相容性
由于PNPU-PVDF-HFP优异的机械性能以及电化学性能，其与金属锂负极具有较好的相容性，并且能与金属锂形成稳定的界面层，因此由其组装的锂对称电池能够在在电流密度为0.1 mA cm-1条件下循环超过1000 h。
图6 PNPU-PVDF-HFP在LFP固态电池中的应用
图7 PNPU-PVDF-HFP在NCM811固态电池中的应用
通过进一步的锂金属全电池测试看出，PNPU-PVDF-HFP聚合物电解质在LFP/Li与NCM811/Li均有良好的表现，促进电池在不同倍率下的稳定循环，此外通过进一步分析还可看出PNPU-PVDF-HFP能够在正极表面形成一层完整、平整、光滑的界面层，有效抑制了循环过程中正极颗粒与界面层的破裂情况的发生。
结论
研究开发了一种新型具有优异的机械-电化学性能耦合性能的固态聚合物电解质。通过理论模拟计算与测试分析表明，PNPU与PVDF-HFP组分间存在相互作用、促进了复合电解质体系的稳定构建，而且PNPU-PVDF-HFP中氢键保持了原有的多重氢键键合模式，因此致密化聚合物薄膜的力学性能显著提升。尤其重要的是，PNPU中的丰富的醚氧基团为锂离子传输提供了大量活性位点，参与构筑了PNPU-PVDF-HFPI电解质体系的双重锂离子传输通道，同时提升了聚合物电解质的机械性能与电化学性能。这项工作为设计和制备具有机械-电化学耦合稳定性的固态聚合物电解质，促进高能量密度固态锂金属电池的开发应用提供了新的技术思路。