黄妍斐《Angew》：高介电PVDF基聚合物使锂离子在固态离子凝胶电解质中均匀传输

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固态聚合物电解质(SPEs)可用来替换电解液以提高锂金属电池（LMBs）的安全性和稳定性，但其室温离子电导率（10-7~ 10-5S/cm）和锂离子迁移数（tLi+, 0.2-0.4）较低，难以满足实际使用需求。引入离子液体（ILs）制备ILs-SPEs（iono-SPEs）可提高室温离子电导率，还可兼顾ILs的阻燃性、化学稳定性、高离子导电性和高电化学窗口等优势。然而，iono-SPEs中的Li+可沿着ILs相、聚合物-ILs相界面和聚合物相传输，且前两者的传输速率远高于后者，这会导致Li+传输速率不均，从而诱发锂枝晶生长。因此，尽管现有iono-SPEs具有较高的室温离子电导率，但在组装为LMBs后，难以稳定循环超800次。提高iono-SPEs中Li+在聚合物相中的传输效率，实现均匀的Li沉积，从而延长LMBs的循环寿命，是目前研究所面临的巨大挑战。
         近日，深圳大学材料学院黄妍斐助理教授在提高离子凝胶电解质的离子传输均匀性方面取得重要研究进展，在《Angewandte Chemie International Edition》杂志上发表了题为“High Dielectric Poly(vinylidene fluoride)-Based Polymer Enables Uniform Lithium-Ion Transport in Solid-State Ionogel Electrolytes”的研究论文。
         该工作通过采用聚（偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯）[P(VDF-TrFE-CTFE)，PTC]作为N-丙基-N-甲基吡咯烷（Pyr13）-TFSI离子液体的框架来制备新型iono-SPE。不同于PVDF，具有适当极性的PTC对Pyr13+的吸附能较弱（-0.20 vs. -0.81 eV），降低了Pyr13+占据Li+跃迁位点的可能性（图1）。同时，PTC的介电常数明显高于PVDF，这使得偶极子一端具有强电负性，可通过吸附Li+促进[Li(anions)x]1-x团簇的解离。这两个因素促使Li+沿PTC链传输，缩小了Li+在iono-SPE不同相之间的传输差异性。PTC iono-SPE具有5.75 × 10-4S/cm 的高室温离子电导率。在0.1 mA/cm2和25oC的条件下，Li/PTC iono-SPE/Li对称电池可稳定循环1500多小时。LiFePO4(LFP)/PTC iono-SPE/Li电池在室温和1C下循环1000次后的容量保持率高达91.5%；高电压LiNi0.8Co0.1Mo0.1O2(NCM811)/PTC iono-SPE/Li电池也可在室温下稳定循环。本工作通过聚合物基体的极性和介电性调控来确保iono-SPE中Li+的均匀传输，为制备高循环稳定性的固态LMBs提供了新思路。

图1.（a）PVDF iono-SPE和（b）PTC iono-SPE的离子传输模型图。

        深圳大学材料学院黄妍斐助理教授为论文通讯作者，材料学院硕士研究生刘俊峰和博士后巫展宇为论文的共同第一作者，深圳大学材料学院为唯一完成单位。论文作者感谢国家自然科学基金、广东省自然科学基金和深圳市科技研发资金的支持。
       论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202300243
       文章来源：深圳大学
       黄妍斐，博士，深圳大学材料学院助理教授，深圳市海外高层次人才（C类）。主要研究领域为聚合物固态电解质；聚合物压电、铁电和介电性能；高分子加工；高分子材料结构与性能调控等。目前已在SCI收录期刊发表研究论文40余篇。其中，作为第一或通讯作者发表学术论文18篇，包括Nat. Commun., Angew. Chem. Inter. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Macromolecules等。申请中国发明专利8件，其中授权2件，完成技术转让1件，受邀撰写英文专著1章。