用于高能量密度锂电池的PVDF/凹凸棒土纳米线复合固态电解质

wuqi

固态电解质对于固态电池的成功开发至关重要。在不同类型的固态电解质中。聚氧化乙烯（PEO）等聚合物电解质作为一类重要的固体电解质，与无机陶瓷电解质相比，由于其良好的柔韧性和易加工性而备受关注。然而，基于PEO的聚合物电解质通常在室温下离子电导率低。此外，PEO在电压4V时会变得不稳定，使得其难以与NCM等高压正极材料配对，这严重限制了它们的实际应用。近年来，聚偏氟乙烯（PVDF）基聚合物电解质由于其不易燃，易加工，电化学窗口宽和高离子电导率高（~10-4S / cm）而引起了很多关注。在研究PVDF电解质中潜在的传输机理时，作者发现二甲基甲酰胺（DMF）作为溶剂和增塑剂时，在离子电导率中起着重要的作用。然而， DMF增塑剂可能使复合电解质软化并使其易于锂枝晶渗透。因此，作者添加凹凸棒石粘土纳米线作为一种新型的陶瓷填料来形成复合聚合物电解质（CPE），从而增加其机械性能，并进一步提高了其电化学性能。开发具有高电压稳定性的聚合物电解质并进一步增强其离子电导率对于固态锂电池的实际应用是至关重要的。

近日，美国哥伦比亚大学杨远教授团队通过引入了/凹凸棒土((Mg,Al)2Si4O10(OH))纳米线作为新型陶瓷填料复合聚合物电解质（CPE），它大大提高了PVDF基聚合物电解质的刚度和韧性。使用5wt％的/凹凸棒土纳米线，不仅使得PVDF CPE的杨氏模量从9.0MPa增加到96MPa，而且其屈服应力也提高了200％。此外，数值模拟揭示了纳米线/纳米线-聚合物相互作用及交联网络是机械强度显着增强的原因。由于凹凸棒土和ClO4-离子之间的相互作用，Li+的迁移数从0.21增加到了0.54。基于NCM，PVDF/凹凸棒土CPE和锂金属负极的全电池，其在0.3C下循环200次后，具有97％的容量保持率。此外，PVDF基质比PEO电解质更不易燃。该工作表明，PVDF/palygorskite CPE是一种很有前景的固态电池电解质。相关研究成果以“PVDF/Palygorskite Nanowire Composite Electrolyte for 4V Rechargeable Lithium Batteries with High Energy Density”为题发表在Nano Letters上。

总之，本文通过使用简单的一步溶液涂膜法成功制备了柔性PVDF/凹凸棒土复合电解质膜。 DMF同时作为溶剂和增塑剂。当在60℃下真空干燥时，增塑的PVDF膜达到1.2×10-4 S /cm的高电导率。凹凸棒土纳米线均匀分散在CPE中形成互连网络，大大提高了其机械性能。当仅添加5％凹凸棒土纳米线时，PVDF CPE的杨氏模量从9.0MPa增加到96MPa，并且屈服应力增加三倍。此外，PVDF/凹凸棒土 CPE在室温下也表现出优异的电化学性能。 当其与NMC和锂金属组装成全电池时，电池表现出优异的循环稳定性。所有这些结果表明，PVDF/凹凸棒土 CPE具有很大应用的潜力，可用于下一代固态锂电池。

文献链接：“PVDF/Palygorskite Nanowire Composite Electrolyte for 4V Rechargeable Lithium Batteries with High Energy Density”(Nano Lett.2018. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01421)