近日，我院王鸣生教授课题组在固态锂金属电池研究方向取得重要进展，相关研究成果以“Zwitterionic Cellulose-based Polymer Electrolyte Enabled by Aqueous Solution Casting for High-performance Solid-state Batteries”为题发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202400477）。该研究得到国家自然科学基金52172240项目支持，王鸣生教授为论文通讯作者，程勇助理教授为论文第一作者。
使用不易燃的固态电解质替代液体电解质被认为是解决锂电池安全问题和提升能量密度的理想策略。固态电解质作为固态电池的关键组件，对电池性能起着决定性作用。PEO基聚合物固态电解质因其低的界面阻抗、优良的电极兼容性等优势引起了广泛关注。然而，室温下PEO结晶度高、内部双离子传导造成的极化以及机械性能较差等问题严重阻碍了PEO基固态电解质的实际应用。
针对上述挑战，王鸣生教授团队提出了利用两性离子聚合物提升PEO固态电解质性能的策略。通过一种简单环保的水溶液浇筑成型法，将两性离子纳米纤维素（ZCNF）、双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）和PEO制成复合固态电解质PL-ZCNF用于固态锂金属电池。多种实验表征和理论计算结果证明所制备的PL-ZCNF复合固态电解质具有出多重优势。首先，ZCNF的“抗聚电解质”效应可保证其在PEO基质中均匀分布，抑制PEO结晶，并促进锂盐的解离，从而提升锂离子的迁移。其次，ZCNF的正电季铵基团能有效锚定TFSI–，避免浓差极化并增加锂离子迁移数；而ZCNF的负电羧基及其一维结构可以为Li+的传输提供额外的通道。最后，本身高强度的ZCNF可大幅提升固态电解质的机械性能。基于以上优点，PL-ZCNF在60 oC下具有较高的离子电导率（5.37 × 10–4 S cm–1）和Li+迁移数（0.62），并保持较高的机械强度（9.2 MPa），其临界电流密度高达1.1 mA cm–2。以LiFePO4为正极组装的固态锂金属电池表现出优异的倍率和循环稳定性能（5C，60 oC下可循环900圈）。此外，组装的软包电池在0.5C，60 oC条件下可稳定运行1000圈，容量保持率高达93.7%。这在目前PEO基固态电解质领域还鲜有报道。该研究证明了两性离子聚合物材料用于固态电解质的可行性，为提升固态电池综合性能提供了新思路。
论文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202400477
此前，王鸣生教授课题组还与厦门大学物理学院陈松岩教授课题组合作报道了一种结构合理、纯硅比例优化的全电化学活性Si/Li21Si5复合负极用于固态电池，并借助原位TEM在纳米尺度下深入揭示了该负极的电化学作用机理。相关成果以“All-electrochem-active silicon anode enabled by spontaneous Li-Si alloying for ultra-high performance solid-state batteries”为题发表于Energy Environ. Sci., 2024, 17, 1061-1072. (DOI: 10.1039/d3ee03877g)。该研究为锂硅合金负极的合成及其在固态电池的应用提供了一种新的方法和有价值的见解。
论文链接 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee03877g
