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王玉忠/吳剛Nature子刊：用于鋰金屬電池的不燃無溶劑液態(tài)聚合物電解質(zhì)

作為高易燃和高揮發(fā)有機(jī)液態(tài)電解液的替代品，固態(tài)聚合物電解質(zhì)在高能鋰金屬電池中顯示出誘人的實用前景。然而，界面和離子導(dǎo)電性能不佳是其應(yīng)用的兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。常見的策略是引入有機(jī)溶劑或增塑劑，但這違背了安全設(shè)計的初衷。

圖1 液態(tài)聚合物電解質(zhì)（LPE）的特性

四川大學(xué)王玉忠、吳剛等提出了一種不含任何小分子溶劑的電解質(zhì)概念–液態(tài)聚合物電解質(zhì)（LPE），這種電解質(zhì)以室溫液態(tài)刷狀聚合物作為唯一溶劑，可用于安全的高性能電池。具體而言，作者設(shè)計了一種室溫液態(tài)刷狀聚合物，即聚[雙（甲氧基三乙氧基）磷嗪]（PPZ），該聚合物由阻燃的聚磷嗪為骨架、甲氧基三乙氧基取代基為側(cè)鏈組成，可用作商業(yè)化鋰鹽的唯一溶劑。

與傳統(tǒng)的液態(tài)電解液和固態(tài)聚合物電解質(zhì)相比，這種LPE具有多種優(yōu)勢包括：

（1）PPZ主鏈中豐富的N和P元素通過氣相和固相阻燃模型確保了不燃性；

（2）PPZ及其衍生的Li₃N和Li₃PO₄賦予SEI優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、離子導(dǎo)電性和柔韌性，有效抑制了鋰枝晶生長和電解質(zhì)-鋰副反應(yīng)；

（3）PPZ中的極性N和O原子與Li⁺的配位促進(jìn)了LiTFSI的解離以形成載流子，并通過磷腈主鏈和醚側(cè)鏈的移動促進(jìn)了Li⁺的轉(zhuǎn)移；

（4）可流動的粘性LPE能夠完全潤濕甚至滲透電極以保持界面層的良好接觸和完整性，并且不會由于高溫或機(jī)械濫用而泄漏。

圖2 LPEs的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)

受益于上述優(yōu)勢，所設(shè)計的電解質(zhì)可在較寬的溫度范圍（60-120℃）內(nèi)提供高性能，可使鋰沉積/剝離超過2200小時，并實現(xiàn)LFP//Li和NCM811//Li的穩(wěn)定循環(huán)，同時具有較高的庫侖效率和容量保持率。更重要的是，基于LPE的LMB有能力抑制熱失控和抗機(jī)械磨損。

總體而言，這種不含任何小分子溶劑的不易燃LPE的設(shè)計理念為開發(fā)下一代安全、高性能的可充電池提供了創(chuàng)新見解。

圖3 LPE基電池的制備與性能

Non-flammable solvent-free liquid polymer electrolyte for lithium metal batteries. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-40394-8

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王玉忠/吳剛Nature子刊：用于鋰金屬電池的不燃無溶劑液態(tài)聚合物電解質(zhì)

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