近幾年，中國科學院青島生物能源與過程研究所固態能源系統技術中心在雙離子電池高電壓界面問題以及抗氧化電解液研究等科學領域開展深入研究，初步取得了研究進展(Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1804022;J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1451–1456)。團隊在鈦酸鋰包覆石墨的實驗中發現物理涂覆層可以阻擋溶劑嵌入，那么，能否找到簡單高效且主動抑制溶劑共嵌的方法呢?在深入調查陰離子-溶劑配位關系的基礎上，研究人員提出了通過調控陰離子溶劑化結構，弱化陰離子與溶劑的相互作用和促進陰離子去溶劑化的解決方案。研究團隊受到生物細胞膜選擇透過性功能的啟發，設計了一種具有“陰離子選擇透過性”的聚合物電解質。該電解質由兩種分別含有季銨鹽陽離子基團的單體(MTMA-PF6)和環狀碳酸酯基團的單體(CUMA)原位聚合而成，有效抑制了溶劑共嵌和電解液的氧化分解，維持了循環過程中石墨結構完整性，進而大幅度提升了電池的循環穩定性和庫倫效率。通過光譜表征和理論計算證明，季銨鹽陽離子基團可以與陰離子形成強靜電作用，參與了陰離子的溶劑化結構，進而減弱陰離子和碳酸酯溶劑的相互作用，并在陰離子嵌入石墨過程中“錨定”溶劑分子，促進陰離子去溶劑化(圖1)。V型管滲透試驗和XPS刻蝕等方法證明了聚合物骨架有效抑制了溶劑共嵌和分解。研究發現，CUMA單體有助于提高界面兼容性，構筑了一層牢固的有機無機復合界面層，對提高電解液穩定性和電池長循環性能起到協同作用。得益于聚合物設計策略的合理性，在截止電壓5.4V和2C的條件下，電池循環2000圈，容量保持率為87.1%，平均庫倫效率達99%，經過多年技術革新，雙碳電池庫倫效率提升了14%，性能優于大多數文獻報道(表1)。該研究為雙離子電池電解液的開發和陰離子-溶劑共嵌入的問題提供了新的解決思路。

相關成果于近日發表在Advanced Materials上。該工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、山東省重點研發計劃等項目的支持與資助。

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圖1. 液態電解液與聚合物電解質中溶劑共嵌行為對比示意圖 

表1. 不同電解液體系截止電壓及庫倫效率