离子液体混合固态电解质助力全电池99.9％库伦效率

2022年7月21日，代尔夫特理工大学学者Marnix Wagemaker和Swapna Ganapathy发表了研究性论文，使用固态核磁共振光谱研究混合固体电解质界面的界面结构和锂离子传输。在混合固体聚环氧乙烷聚合物-无机电解质中，作者引入了两种具有代表性的离子液体，它们与聚合物具有不同的混溶性。混溶性差的离子液体（ILs）润湿聚合物-无机界面并增加局部极化率。这降低了扩散势垒，导致整体室温电导率为2.47×10-4 S cm-1。0.25 mA cm-2的临界电流密度显示出更高的稳定性，允许 LiFePO4-锂金属固态电池在室温下循环，库仑效率为 99.9%。在混合固体电解质中调整无机和有机固体电解质组分之间的局部界面环境似乎是设计高导电混合固体电解质的可行途径。

相关综述文章以“Improving Li-ion interfacial transport in hybrid solid electrolytes”为题发表在Nature Nanotechnology上。

1.作者提出，在由 PEO 聚合物和无机固体电解质相组成的混合固体电解质（HSE）中，锂离子传输的瓶颈是跨越有机-无机相界，其中醚氧物质的缺乏和局部迁移率的缺乏是造成局部界面锂离子的离子电导率差的原因。

2.界面扩散率可以通过使用 ILs 添加剂作为润湿剂来提高，在这种情况下，PP13-TFSI，其在 PEO 中的低混溶性迫使其定位在相界处，在该相界处充当锂离子传输的桥梁。多核固态 NMR 研究揭示了 HSE 中有机相和无机相之间的界面结构，以及这如何影响锂离子扩散途径。这为界面策略的发展提供了启示，例如采用非混溶性离子液体提供的界面策略，从而提高了电导率和与锂金属负极的相容性。

01【导读】

迄今为止，商业固态电池的发展一直受到无机和有机固体电解质的个体限制的阻碍，从而激发了混合概念。 然而，混合固体电解质的室温电导率仍不足以支持所需的电池性能。一个关键的挑战是评估无机和有机界面上的锂离子传输，并将其与表面化学联系起来。

02【成果掠影】

2022年7月21日，代尔夫特理工大学学者Marnix Wagemaker和Swapna Ganapathy发表了研究性论文，使用固态核磁共振光谱研究混合固体电解质界面的界面结构和锂离子传输。在混合固体聚环氧乙烷聚合物-无机电解质中，作者引入了两种具有代表性的离子液体，它们与聚合物具有不同的混溶性。混溶性差的离子液体（ILs）润湿聚合物-无机界面并增加局部极化率。这降低了扩散势垒，导致整体室温电导率为2.47×10-4 S cm-1。0.25 mA cm-2的临界电流密度显示出更高的稳定性，允许 LiFePO4-锂金属固态电池在室温下循环，库仑效率为 99.9%。在混合固体电解质中调整无机和有机固体电解质组分之间的局部界面环境似乎是设计高导电混合固体电解质的可行途径。

相关综述文章以“Improving Li-ion interfacial transport in hybrid solid electrolytes”为题发表在Nature Nanotechnology上。

03【核心内容】

1.作者提出，在由 PEO 聚合物和无机固体电解质相组成的混合固体电解质（HSE）中，锂离子传输的瓶颈是跨越有机-无机相界，其中醚氧物质的缺乏和局部迁移率的缺乏是造成局部界面锂离子的离子电导率差的原因。

2.界面扩散率可以通过使用 ILs 添加剂作为润湿剂来提高，在这种情况下，PP13-TFSI，其在 PEO 中的低混溶性迫使其定位在相界处，在该相界处充当锂离子传输的桥梁。多核固态 NMR 研究揭示了 HSE 中有机相和无机相之间的界面结构，以及这如何影响锂离子扩散途径。这为界面策略的发展提供了启示，例如采用非混溶性离子液体提供的界面策略，从而提高了电导率和与锂金属负极的相容性。

04【数据概览】

图一、LiTFSI-PEO 和 Li6PS5Cl 之间的锂离子界面扩散© 2022 The Authors

图二、PP13-TFSI 和 EMIM-TFSI IL 添加剂在 HSE 中的宏观扩散© 2022 The Authors

图三、具有 PP13-TFSI 和 EMIM-TFSI IL 添加剂的 HSE 的结构表征© 2022 The Authors

图四、使用 PP13-TFSI 和 EMIM-TFSI IL 添加剂对 HSE 进行电化学表征© 2022 The Authors