第一作者：Peiran Shi, Jiabin Ma, Ming Liu

通讯作者：康飞宇，贺艳兵，钟贵明

通讯单位：清华大学，中科院大连化物所

【研究亮点】

复合固态电解质的离子电导率由于不同相空间电荷层和可移动Li⁺浓度低而不能满足固态锂金属电池的应用要求。本文作者提出了一种通过耦合陶瓷电介质和电解质来创建高通量Li⁺传输路径的策略，以克服复合固态电解质的低离子电导率挑战。通过将聚偏二氟乙烯和具有并排异质结结构(PVBL)的BaTiO₃ (BTO)–Li_0.33La_0.56TiO_3–x (LLTO)纳米线复合在一起，构建了一种高导电和介电复合固态电解质。这种耦合效应使PVBL在25°C下具有相当高的离子电导率(8.2 × 10⁻⁴ S cm⁻¹)和锂迁移数(0.57)。LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/PVBL/Li固态电池在180 mA g^-1的电流密度下稳定循环1500次，软包电池也表现出优异的电化学和安全性能。

【主要内容】

使用固态电解质可以显着提高锂金属电池的安全性能。固态聚合物电解质由于其柔韧性、易于制备和与电极的紧密界面而特别有吸引力。然而，与具有高介电常数的液态电解质和促进锂盐解离和离子传输以实现高离子电导率的低粘度溶剂不同，固态聚合物电解质促进离子解离的能力有限，导致相当低的离子电导率。在固态聚合物电解质中加入离子导电无机填料，形成复合固态电解质，可以降低聚合物结晶度从而构建导电三维网络来传输Li⁺。聚偏二氟乙烯 (PVDF)基复合固态电解质由PVDF基质、锂盐和痕量溶剂化结构组成，具有高高介电常数、宽电化学窗口并且可以有效抑制锂枝晶。然而，通过直接掺入离子导电无机填料，它们的离子电导率只能提高到5.0 × 10⁻⁴ S cm⁻¹。CSE的低电导率归因于低浓度的可移动Li⁺以及聚合物和无机填料之间的空间电荷层，这极大地阻碍了Li⁺传输。

鉴于此，清华大学康飞宇教授和贺艳兵教授课题组联合中科院大连化物所钟贵明研究员通过耦合BTO和LLTO纳米线开发了具有高离子电导率的高导电和介电PVDF基复合固态电解质(PVBL)。导电和介电耦合的BTO-LLTO纳米线以其独特的并排结构不仅可触发锂盐的解离产生更多可移动的Li⁺，而且电介质BTO中产生的内置电场可以削弱PVBL的空间电荷层以有效地传输解离的Li⁺，从而局部且自发地转移到耦合的LLTO纳米线。PVBL的离子电导率在25℃时高达8.2 × 10⁻⁴ S cm⁻¹。此外，PVBL与NCM811和锂金属表现出优异的界面稳定性，从而降低了NCM811-PVBL界面的极化并促进了Li⁺的均匀传输。固态NCM811/PVBL/Li电池可提供172.1mAh g⁻¹的高容量，同时在25°C，180 mA g^-1电流密度下表现出超过1500次循环的循环稳定性。固态软包和高负载电池也表现出出色的循环和安全性能。本研究提供了可用于先进固态锂金属电池的复合固态电解质的高效高通量Li⁺传输模式。

Fig. 1 | Characterization of the side-by-side coupled BTO–LLTO nanowires and PVBL electrolyte.

Fig. 2 | Physical and Li dendrite suppression properties of PVBL electrolyte.

Fig. 3 | Characterization of the Li salt dissociation and ion transport in PVBL electrolyte.

Fig. 4 | Ion transport mechanism analysis of the PVBL electrolyte.

Fig. 5 | Properties of the NCM811/Li solid-state batteries using PVBL electrolyte.

Fig. 6 | Characterization and simulation of the interfaces of PVBL electrolyte with cathode and Li metal anode.

【文献信息】

Shi, P., Ma, J., Liu, M. et al. A dielectric electrolyte composite with high lithium-ion conductivity for high-voltage solid-state lithium metal batteries. Nat. Nanotechnol. (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01341-2

文章来源：能源学人

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