中科院崔光磊Carbon Energy:耐高电压和高离子传导氰乙基纤维素共晶凝胶聚合物电解质实现准固态高电压锂金属电池

Cyanoethyl cellulose-based eutectogel electrolyte enabling high-voltage-tolerant and ion-conductive solid-state lithium metal batteries

Hao Zhang, Lixue Zhou, Xiaofan Du, Jianjun Zhang*, Songwei Tian, Tingting Liu, Jinning Zhang, Sijia Hu, Weiling Song*, Xinhong Zhou*, Guanglei Cui*

Carbon Energy

DOI:10.1002/cey2.227

高电压锂金属电池（LMBs）被认为是一种充满潜力的储能电池体系，可以将锂电池的质量能量密度提高到400 Wh/kg及以上，以进一步满足移动智能电子设备和新能源汽车等快速发展的迫切需要。然而高电压LMBs的实际应用在很大程度上会受到正、负极界面稳定性以及安全性的限制。传统液态碳酸酯类电解质与锂金属相容性差、易燃、易挥发、且与高电压正极兼容性差容易发生电化学氧化分解，极大限制了其进一步应用。而已经报道的聚合物电解质也或多或少会受到电化学稳定窗口窄以及室温离子电导率低的限制。因此，开发一种兼具宽电化学稳定窗口、高离子电导率、高安全特性和优异界面相容性的固态聚合物电解质对于助推高电压和高安全LMBs的发展，意义重大。

针对高性能聚合物电解质的研究，近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员课题组设计并制备出一种由室温深共晶电解质 (SN/LiTFSI/LiDFOB)和氰乙基纤维素组成的共晶凝胶准固态聚合物电解质。研究结果表明：该聚合物电解质具有高达4.8 V的电化学窗口，优良的锂沉积/剥离性能，实现了4.45 V钴酸锂/锂金属电池的稳定循环，同时还可应用于其他锂金属电池（如锰酸锂/锂金属电池、高镍9系NCM/锂金属电池），具有较好的普适性。同时其它纤维素衍生物，也可采用相似工艺，制备出共晶凝胶准固态聚合物电解质，并展示出较好的电化学性能。

相关工作以题为“Cyanoethyl cellulose-based eutectogel electrolyte enabling high-voltage-tolerant and ion-conductive solid-state lithium metal batteries”发表在Carbon Energy上。

图1：分子轨道能量和结构表征。(A) 碳酸酯电解液和氰乙基纤维素共晶凝胶准固态聚合物电解质的HOMO和LUMO能级计算。(B) SN、LiTFSI和DEE的数码照片。(C) SN、LiTFSI和DEE的静电势 (ESPs)。(D) 基于理论计算的SN和LiTFSI的分子构型。(E) 氰乙基纤维素粉。(F) 氰乙基纤维素共晶凝胶准固态聚合物电解质的数码照片。

图2：锂金属负极的形态和界面。(A，B) 碳酸酯电解液和 (C，D) 基于氰乙基纤维素共晶凝胶准固态聚合物电解质组装的4.45 V LiCoO₂/Li金属电池循环后锂金属负极的扫描电镜。基于碳酸酯电解液组装的4.45 V LiCoO₂/Li金属电池循环后锂负极的XPS谱：(E) C 1s、(F) P 2p、(G) F 1s、(H) Co 2p。基于氰乙基纤维素共晶凝胶准固态聚合物电解质组装的4.45 V LiCoO₂/Li金属电池循环后锂负极的XPS谱：(I) N 1s、(J) B 1s、(K) F 1s、(L) S 2p。

图3：纤维素来源数码照片：(A) 棉花、(B) 竹子、(C)玉米、(D)木材。(F) 甲基纤维素共晶凝胶准固态聚合物电解质和 (G) 乙基纤维素共晶凝胶准固态聚合物电解质的数码照片。(F)纤维素衍生物的结构式。(H) 使用所获得的甲基纤维素基共晶凝胶准固态聚合物电解质组装的的LiMn₂O₄/Li金属电池在室温下的充放电曲线。(I) 基于纤维素衍生物的共晶凝胶准固态聚合物电解质的设计概念示意图。(J) 乙基纤维素共晶凝胶准固态聚合物电解质组装的LiMn₂O₄/Li金属电池的循环性能。

图4：该氰乙基纤维素共晶凝胶准固态聚合物电解质在正负极界面的作用示意图（TOC）。