苏州纳米所吴晓东团队许晶晶等基于聚合物结构设计和阴离子衍生界面层提升锂

锂金属电池由于潜在的高能量密度被认为是下一代最有前途的储能电池之一，然而传统有机液态电解液的挥发性、可燃性以及不均匀锂沉积导致的锂枝晶生长引起的安全隐患限制了其进一步发展。为了提高电池的安全性，固态电解质成为了当前的研究热点。其中，聚离子液体基固态电解质因其不可燃性、良好的机械性能、优异的化学/电化学稳定性而受到广泛关注。但是，室温离子电导率较低的缺点限制了其在全固态锂电池中的进一步应用。

为了解决上述问题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所吴晓东团队许晶晶项目研究员指导硕士生刘灵旺等人通过对单体结构的设计，成功制备了一种高离子电导的聚离子液体基凝胶电解质。他们首先设计并成功合成出了一种极性电荷远离主链的聚离子液体单体GIMTFSI，然后将其与双（三氟甲基磺酰）亚胺锂（LiTFSI）和N-甲氧基乙基-N-甲基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐（MEMPTFSI）离子液体增塑剂复合得到聚离子液体基凝胶态电解质（GM-GPE）。GM-GPE中丰富的极性电荷可以有效地促进锂盐离子对解离，特别是阳离子型骨架还能通过库伦作用将阴离子锚定在聚合物链段上，进而提高体相中的锂离子迁移数。GIMTFSI的长支链结构以及增塑剂的引入使得GM-GPE的离子导电率在30℃下高达4.3 × 10⁻⁴ S cm⁻¹，此外GM-GPE还展现了良好的电化学稳定性、优异的热稳定性和阻燃性。当GM-GPE应用到锂金属电池中，研究发现其能够促进TFSI-阴离子衍生的SEI膜形成，进而抑制锂枝晶的生长。而MEMP⁺可以在电场的作用下迁移到锂金属负极表面并产生阳离子静电屏蔽效应，进一步促进了Li⁺的均匀沉积。得益于上述优势的协调作用，LiFePO₄|GM-GPE|Li电池在0.2 C下表现出150 mAh g⁻¹的高放电容量，在30°C下经过144次循环后，容量保持率达到87.6%。本研究为设计合成具有高离子电导、高稳定和高安全性的优良聚离子液体基凝胶态电解质并应用于高效安全的锂金属电池提供了新的思路。

相关工作以Excellent Polymerized-Ionic-Liquid-Based Gel Polymer Electrolyte Enabled by Molecular Structure Design and Anion-derived Interfacial Layer为题发表在国际知名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上，论文的第一作者为中国科学技术大学纳米学院硕士研究生刘灵旺和苏州纳米所博士后薛江燕，通讯作者为苏州纳米所许晶晶项目研究员和吴晓东研究员。相关工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金以及江苏省卓越博士后人才项目的资助。同时得到了苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）提供的测试帮助。

图1.GIMTFSI的合成路线以及GM-GPE的工作机理示意图

图2. GM-GPE的物理化学性质表征

图3. LiFePO₄|GM-GPE|Li的长循环性能测试