基于聚環(huán)氧乙烷（PEO）或聚乙二醇（PEG）的鋰電池電解質(zhì)引起了人們的極大興趣，但其室溫離子電導(dǎo)率（σ）低、電化學(xué)穩(wěn)定窗口（ESW）窄和鋰離子遷移數(shù)（LTN）低等問題仍然阻礙著它們的應(yīng)用。

在此，南開大學(xué)陳軍，程方益，張望清等人研究了聚合物端基對甲氧基聚乙二醇（MPEG）電解質(zhì)的物理和電化學(xué)性質(zhì)的影響。作者合成了具有不同端基的中等分子量 MPEG，包括具有羥基端基（MPEG-OH）、碳酸丙酯端基（MPEG-PC）、-OCH₃ 端基（MPEG-OCH₃）和-OCH₂CF₃ 端基（MPEG-3F）的 MPEG，并制備了一批 LiTFSI/MPEG 復(fù)合電解質(zhì)，用于鋰電池的電化學(xué)對比研究。

在四種 PEG 基電解質(zhì)中，含有三氟乙氧基端基的 MPEG-3F σ 最高，因?yàn)槠湔扯茸畹?，?LiTFSI 的解離性好；LTN 最高，因?yàn)樗馨睺FSI 陰離子；ESW最寬，因?yàn)樘挤衔锞哂懈哝I能和耐高壓性。由于 MEPG350-3F 電解液具有良好的電化學(xué)性能，Li||LiTFSI/MEPG350-3F||Li電池在循環(huán) 1400 h 后發(fā)現(xiàn)了均勻的鋰沉積表面，最后研究了以 LiNiCoMnO₂（NCM523）為正極的組裝 LiFePO₄||LiTFSI/MPEG350-3F||Li電池和 NCM523||LiTFSI/MPEG350-3F||Li電池。

圖1. 示意圖

總之，該工作研究了四種具有不同端基的 MPEG 基電解質(zhì)的物理和電化學(xué)性能，包括具有羥基端基（MPEG-OH）、碳酸丙酯端基（MPEG-PC）、甲氧基端基（MPEG-OCH3）和三氟乙氧基端基（MPEG-3F）的 MPEG。研究發(fā)現(xiàn)，這些端基對 LiTFSI/MPEG 電解質(zhì)的物理和電化學(xué)特性有很大影響，例如結(jié)晶、粘度、鋰鹽的解離能力、氟的化學(xué)環(huán)境和特殊聚集體的形成、σ、ESW、LTN以及LiTFSI/MPEG 電解質(zhì)與鋰金屬正極的界面電阻。

MPEG-OH 具有活性-OH 端，可與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，但其結(jié)晶度最高，且在 MPEG-OH 中鋰鹽的解離性最差，不適合用作電解質(zhì)。具有碳酸丙酯端基的 MPEG-PC 可大大抑制 MPEG 結(jié)晶，結(jié)晶度最低，但界面電阻相對較高，LTN 較低，因此不適合用作高性能電解質(zhì)。具有甲氧基端基的 MPEG-OCH3結(jié)晶程度適中，σ 相對較高，但 LTN 較低。

含有三氟乙氧基端基的 MPEG-3F 具有最高的 σ，因?yàn)槠湔扯茸畹?，?LiTFSI 的解離效果好；具有最高的 LTN，因?yàn)槠浒薚FSI 陰離子；具有最寬的ESW，因?yàn)槠涮挤衔锞哂懈哝I能和耐高壓性。組裝后的對稱鋰電池和采用含氟 MPEG-3F 的磷酸鐵鋰電池延長了循環(huán)壽命。因此，該項(xiàng)工作證明了附著在 PEG 骨架上的端基如何影響PEO 基電解質(zhì)在鋰金屬電池中的電化學(xué)性能，預(yù)計(jì)將有助于聚合物電解質(zhì)的合成和設(shè)計(jì)。

圖2. 電池性能

How the PEG Terminals Affect the Electrochemical Properties of Polymer Electrolytes in Lithium Metal Batteries, Energy Storage Materials 2023 DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103066