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深圳大学黄妍斐 EES:偶极缺陷使PVDF晶体变成离子导体以提升室温离子电导率
2024-11-07  来源:高分子科技

  固态聚合物电解质(SPEs)可用来替换液态电解液以提升锂金属电池(LMBs)的安全稳定性,但是,大部分SPEs在室温下的离子导电性极低(10-7 ~ 10-5 S cm-1),无法满足实际使用需求。据报道,离子导电率由自由离子数和离子迁移率所决定。其中,自由离子来自于锂盐的解离。提高聚合物基体的介电常数(εr)能促进锂盐解离,但即使是εr相对较高的聚偏氟乙烯(PVDF),在没有无机陶瓷或残留溶剂的帮助下,其室温离子电导率也很难超过10-5 S cm-1。离子迁移率高度依赖于SPEs中离子的输运行为。传统观点认为,SPEs中离子的传输主要发生在非晶区,晶区通常认为不能传输锂离子。PVDF属于半晶聚合物,其结晶度通常能达到40%左右,若晶区无法传输锂离子,PVDF SPEs的室温离子电导率将很难获得大幅度提升。


  本工作发现,在PVDF的晶区引入CHF3和CH2FCl偶极缺陷,能增大PVDF的分子链间距,削弱分子链间相互作用,使得-CH2CF2偶极能在室温下更易翻转和振动,从而通过离子-偶极相互作用促进锂离子在晶区发生输运。将这种含偶极缺陷的PVDF(d-PVDF)制备成SPEs发现,该d-PVDF SPE在25 ℃时展现出高达7.8 × 10-4S cm-1的离子导电。在0.05 mA cm-2和25oC的条件下,Li/d-PVDF SPE/Li对称电池在室温下能够循环超过11000小时,同时LFP/d-PVDF SPE/Li全电池在5 C的高充放倍率下,经过400个循环后容量保持率仍高达100%。这一研究为提高SPEs离子导电性开辟了新途径,实现了固态锂金属电池的快速充放电。


1. 含偶极缺陷的PVDF(d-PVDF)和普通PVDF的离子传输机制图


  该成果近期发表在Energy & Environmental Science期刊上 (Energy Environ. Sci., 2024, 17, 8243-8253)。论文的通讯作者为深圳大学材料学院黄妍斐副教授,共同第一作者为深圳大学材料学院硕士研究生戴琛翁沫炜蔡博文。论文作者感谢国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科创委和深圳大学“2035追求卓越研究计划”提供的支持。


  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/EE/D4EE03467H


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(责任编辑:xu)
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