固態(tài)電池是發(fā)展下一代高安全、高能量密度電池的關鍵技術。在發(fā)展固態(tài)電池的技術路線中，聚合物電解質由于具有良好的柔韌性，有利于在電極與電解質之間形成良好的界面接觸，能夠承受電極材料在充放電過程中的體積形變，且質量輕、易于加工，適合大規(guī)模生產(chǎn)，受到學術界研究人員的廣泛關注。聚合物固體電解質（SPE）傳統(tǒng)制備工藝流程通常是溶液溶解澆筑-自然風干成膜-真空高溫烘干去溶劑。然而由于真空高溫烘干為單純物理方法很難將SPE膜中殘余的溶劑分子100%去除（圖1a），殘留的液體會導致電池在隨后的循環(huán)過程中發(fā)生溶劑分子分解以及在界面處與電極發(fā)生副反應，從而導致界面阻抗增大、極化增大、循環(huán)壽命和庫倫效率低等一系列問題。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源實驗室E01組劉麗露博士和戚興國博士，在胡勇勝研究員和索鎏敏副研究員的指導下，提出一種通過化學反應原位去除SPE中殘余自由溶劑分子的方法。該方法關鍵在于通過調控選取合適溶劑、鹽以及添加劑組合，在溶劑去除過程中巧妙設計鹽-溶劑分子-添加劑兩步化學反應過程，實現(xiàn)將殘留的溶劑最終轉化為一種穩(wěn)定添加劑表面包覆層(圖1b)，進而達到徹底去除殘余溶劑的目的。采用去離子水和NaFSI分別作為溶劑和鹽，聚合物選擇可溶于水的PEO。NaFSI結構上的S-F鍵不穩(wěn)定，遇水會發(fā)生微弱的水解產(chǎn)生HF，進一步添加納米Al2O3顆粒將中間產(chǎn)物轉化為AlF3·xH2O（圖1，圖2）。采用該工藝制備的SPE有效地降低了固態(tài)電池界面副反應，極大地提升了電池的庫倫效率、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
圖1.（a-b）SPE制備過程示意圖：a)傳統(tǒng)過程；b)所設計的過程；（c）NaFSI和NaTFSI的化學結構
采用磷酸釩鈉（NVP）和金屬鈉（Na）分別作為正極和負極組裝固態(tài)電池NVP|SPE|Na，NVP|FSI-Al2O3-AQ|Na固態(tài)電池首周可逆比容量為110mAh/g，庫倫效率為93.8%，達到了采用液體電解質時的水平。NVP|FSI-Al2O3-AQ|Na固態(tài)電池在1C倍率下循環(huán)2000周的過程中，庫倫效率始終保持在~100%，循環(huán)2000周以后容量保持率為92.8%，平均每周容量衰減率僅為0.0036%。對金屬鈉的對稱電池在100 μA/cm2的電流密度下可穩(wěn)定循環(huán)800h（圖3b）。電池循環(huán)過程中電化學阻抗譜也保持相對穩(wěn)定。采用該研究工作中所設計的SPE組裝的固態(tài)鈉電池的循環(huán)穩(wěn)定性是目前所報道的循環(huán)穩(wěn)定性最好的聚合物固態(tài)鈉電池（圖3）。
該工作利用鹽的吸水性和鹽本身的性質，實現(xiàn)了原位化學反應去除SPE中殘余溶劑（水）分子，并且SPE的整個制備過程在空氣中進行，無需濕度控制或氣氛保護。同時，水作為溶劑實現(xiàn)了綠色、無污染、低成本的SPE制備過程。該工作對于發(fā)展固態(tài)鋰/鈉電池中原位反應控制界面、人為調控界面具有重要的借鑒意義。該研究結果近日發(fā)表在ACS Energy Letters上（ACS Energy Letters，2019，4, 1650-1657），文章題為In Situ Formation of a Stable Interface in Solid-State Batteries。相關工作得到國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0901500）和國家自然科學基金(51725206, 51421002和51822211）的支持。
- 復旦大學陳茂團隊 Nat. Mater.：實現(xiàn)含氟聚合物序列結構調控，為全固態(tài)電池鋰離子傳導安裝滑翔之翼 2023-10-17
- 川大微粘控團隊 Adv. Mater.：微粘控構筑高熵聚合物膠帶電解質薄膜 2023-10-11
- 華南理工大學劉軍教授團隊 Angew: 共晶聚合物電解質促進鋰鹽離解用于高性能鋰金屬固態(tài)電池 2023-09-16
- 深圳大學黃妍斐 EnSM：構建超薄人工SEI抑制電子轉移以穩(wěn)定PVDF固態(tài)電解質/鋰金屬界面 2024-04-10
- 新加坡國立大學呂力教授團隊 Adv. Energy Mater. 綜述：用于高能量密度鋰電池的聚合物固態(tài)電解質 2023-09-07
- 西安交大丁書江教授團隊 Angew：多重動態(tài)鍵驅動全固態(tài)鋰電池正極/聚合物電解質一體化 2023-07-14
