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PEO基聚合物-in-塑晶电解质用于室温高电压锂金属电池
第一作者：刘玉龙
通讯作者：刘玉龙*，孙学良*，谢海明*，
单位：东北师范大学，加拿大西安大略大学
近日，东北师范大学谢海明教授/刘玉龙副教授课题组与加拿大西安大略大学的孙学良教授合作，在国际知名期刊Nano Energy (影响因子：16.8) 上发表题为“PEO based polymer
in plastic crystal electrolytes for room temperature high-voltage lithium metal
batteries”的研究工作。
该工作设计了一种新型的PEO基polymer in plastic crystal electrolyte (PIPCE)电解质。利用分子工程设计，获得了抗氧化、电导率高的PEO基电解质。其原因是由于TFSI阴离子的固定、EO分子中的孤对电子效应和SN-PEO-FEC的共溶剂效应。锂对称电池测试表明，锂沉积量为1 mA h cm-2，电解质可稳定循环超过700 h。在Li//NMC 全电池测试中，放电容量可高达169 mAh g-1，稳定循环超过120圈仍然保持80%的容量。通过界面组分分析发现，CEI膜和SEI膜的化学成分稳定，从而获得了优异的电化学性能。
图1. 新型电解质的作用机理以及界面高稳定性的原因
本文要点
要点一： 新型PEO基PIPCE电解质的电性能
通过简单的共融合成了新型电解质，并将其融入PE基隔膜中。通过一系列的测试手段表征了不同PEO含量的PIPCE电解质的特性，其中15% PEO PIPEC电解质的室温电导率大于0.1 mS/cm，氧化电位为4.97 V。 所制备的固态电解质具有高的热稳定性，明火测试表明电解质不燃烧。
图2. 不同PEO含量的PIPCE电解质的电性能
要点二： 锂对称电池长循环稳定性
其次，本文结果证明了1 mAh cm-1的条件下，锂对称电池仍然能保持700 h的长循环稳定性，表明PIPCE基电解质对锂金属的稳定性好。
图3. 不同PEO含量的PIPCE电解质的对称电池测试性能
要点三： Li-NMC532全电池电化学性能
使用这种电解质组装的 Li || LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2电池表现出优异的循环稳定性。截止电压为4.4 V时，循环120圈并保持80%的容量。
图4. 不同PEO含量的PIPCE电解质的全电池测试性能
要点四： Li/PIPCE 和 PIPCE/NMC
532 的界面组分分析
界面组分分析表明，优异的电化学性能来源于高稳定性的CEI膜和SEI膜的形成。锂表面的氟化物和氮化物可构成稳定的SEI膜，正极表面的致密膜可阻碍副反应的发生。
图5. Li/PIPCE 和 PIPCE/NMC 532 的界面组分分析
结论
在本工作中，开发了一种PIPCE的策略来获得电化学窗口宽的电解质用于锂金属电池中。由于分子间的相互作用，可以将15% PEO PIPCE的氧化电位提高到4.97 V。该电解质同时具有优异的热力学性能。电化学测试表明，使用该电解质时，对称电池经过700 h 循环仍然不会短路。利用NMC532 作为正极材料，即便是在截止电压为4.4 V高压的情况下，仍然可循环120圈并保持80%的容量。
文章链接
PEO based Polymer in Plastic Crystal
Electrolytes for Room Temperature High-Voltage Lithium Metal Batteries https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106205
刘玉龙，副教授，硕士生导师
目前就职于东北师范大学化学学院。隶属于东北师范大学动力电池国家地方联合工程实验室，主要从事锂离子电池和固态锂电池的研究。2013年获得中南大学硕士学位后进入加拿大西安大略大学孙学良院士课题组从事锂电池相关研究。2018年博士毕业后，留组继续从事博士后研究工作。研究合作单位包括加拿大庄信万丰公司（前著名的Phostech公司，具有LiFePO4化学结构和碳包覆的全球专利所有权）和中国国联动力电池研究中心(隶属于北京有色金属研究总院，动力电池国家队), 以及加拿大唯一固态电池研发初创公司（GLABAT Solid-state Battery
Inc.，由孙学良院士领衔的科学技术团队）。目前已经在Nature communication，Adv. Mater.，Nano Energy，AEM, ESM, ACS energy
letters等高水平期刊发表专业论文多篇。
孙学良
教授
加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大纳米能源材料首席科学家（Tier I），加拿大西安大略大学终身教授。孙教授于1999年在英国曼彻斯特大学获得博士学位，1999-2001于加拿大哥伦比亚大学从事博士后研究，2001-2004在魁北克科学与工程研究院从事助理研究员工作；现任国际能源科学院的副主席，Electrochemical Energy Review（EER）的主编和Frontier of Energy
Storage的副主编。
孙院士的主要研究方向是纳米能源结构材料在能源储存和转化，重点从事燃料电池和全固态锂电池，锂离子电池的研究和应用。已发表超过540篇SCI科学论文，其中包括Nat. Energy, Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am.
Chem. Soc., Angew. Chem., Accounts Chem. Res., Energy Environ. Sci., 等高水平杂志。
谢海明，现任东北师范大学化学学院功能材料化学研究所教授
动力电池国家地方联合工程实验室主任。十三五国家重点研发计划新能源车专家组专家；物理化学学科带头人PI；化学学院教授委员会委员；吉林省长白山学者，教育部新世纪优秀人才，吉林省首批学科领军教授，首批东师仿吾青年学者，首批东师学者，全国优秀博士毕业学位论文提名奖，获得2014年吉林省战略性新兴产业先进集体，2011年长春市五一劳动奖状，2011年吉林省最佳经济技术创新能手称号。
多年来潜心研究锂离子电池、锂硫电池、锂空电池以及各类电池新型材料，包括磷酸亚铁锂材料、磷酸钒锂、钛酸锂、耐高温隔膜、不燃电解液、磷酸铁锂动力电池、超低温锂离子动力电池等；近年来同加拿大魁北克水电研究院、法国巴黎第六大学等科学家合作开发高安全高能量密度的全固态锂电池，在锂离子动力电池及其材料领域具有较深的研究；多年来一直以产学研方式同企业紧密合作，先后建立了“辽源市鸿图锂电隔膜科技股份有限公司”、“吉林中聚新能源股份有限公司”、“营口航盛科技实业有限公司”、 “长春劲能科技集团股份有限公司”，带动了我国新能源车的快速发展。近年来在Adv. Mater.，Adv. Energy Mater., Mater. Sci. Eng. R, Nano
Energy，Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, ACS
Appl. Mater. Interfaces, J. Power Sources等期刊发表论文五十余篇、申请专利二十余项，申请科研项目经费三千余万元。