用于固態(tài)電池的聚合物固態(tài)電解質(zhì)通常具有低離子電導(dǎo)率和低氧化穩(wěn)定性。

瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所付丞寅等報(bào)道了一種基于聚合離子液體和離子液體增塑劑的聚合物電解質(zhì)（PIL-IL），可同時(shí)提供 0.8 mS cm^-1的高室溫離子電導(dǎo)率和> 5.0 V（相對(duì)于Li⁺/Li）的高氧化穩(wěn)定性。

圖1. PIL-IL的結(jié)構(gòu)示意及表征

該聚合物電解質(zhì)包含聚（二烯丙基二甲基銨）雙（氟磺?；﹣啺罚≒DADMAFSI）聚離子液體、N-丁基-N-甲基吡咯烷雙（三氟甲基磺?；﹣啺罚≒YR13FSI）增塑劑和雙（氟磺?；﹣啺蜂嚕↙iFSI）鋰鹽。選擇PDADMAFSI和PYR13FSI是因?yàn)樗鼈兙哂谐錾幕瘜W(xué)穩(wěn)定性和廣泛的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口。與典型的鋰離子配位聚合物基體相比，帶正電荷的PDADMA⁺鏈減少了鋰離子與聚合物的配位，從而促進(jìn)了高鋰離子遷移率。在LiFSI中，Li⁺和FSI^–之間具有低結(jié)合能，并且能夠在與鋰金屬接觸時(shí)形成穩(wěn)定的界面相。

因此，制備的聚合物固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率和寬電化學(xué)穩(wěn)定性窗口，從而使鋰金屬負(fù)極與高壓無(wú)涂層 LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811）和LiMn_1.5Ni_0.5O₄（LNMO）正極匹配時(shí)在室溫下穩(wěn)定循環(huán)。此外，該電解質(zhì)具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，直接暴露于火焰時(shí)不易燃。

圖2. PIL-IL電解質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性

研究顯示，在對(duì)稱鋰金屬電池中，該電解質(zhì)能使鋰負(fù)極在25 °C和 0.1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2條件下穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)1700小時(shí)。采用鋰金屬負(fù)極和無(wú)涂層NMC811正極的全電池，在25 °C和4.4 V截止電壓下的初始容量為162 mAh g^-1，經(jīng)過(guò)600次循環(huán)后容量保持率為72%。采用LNMO正極的電池在25 °C和5 V截止電壓下的初始容量為132 mAh g^-1，循環(huán)300 次后容量保持率為76%。

此外，最新的工業(yè)預(yù)測(cè)表明，這種PIL-IL電解質(zhì)的價(jià)格將低于80 $ kg^-1，受益于規(guī)模經(jīng)濟(jì)，PIL-IL電解質(zhì)成為一種競(jìng)爭(zhēng)性全固態(tài)電池技術(shù)，該技術(shù)有助于全固態(tài)鋰金屬電池達(dá)到歐盟委員會(huì)設(shè)定的電池級(jí)別 >400 Wh kg^-1和>1200 Wh L^-1的目標(biāo)。

圖3. 全電池性能

A Polymerized-Ionic-Liquid-Based Polymer Electrolyte with High Oxidative Stability for 4 and 5 V Class Solid-State Lithium Metal Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200412