离子液体改性聚（偏二氟乙烯）单离子导体隔膜保护锂阳极用于碘化物强化锂氧电池反应

第一作者：陈文翔，罗志虹

通讯作者：罗鲲*，任玉荣*

单位：常州大学，桂林理工大学

【研究背景】

锂氧电池(LOBs)因其优异的能量密度得到了广泛的发展。但LOBs在实际应用中面临着许多技术挑战，包括过氧化锂(Li2O2)分解动力学缓慢、锂负极消耗速度快、电解质易分解以及环境和安全问题。因此，只有兼顾电池正、负极反应过程，才能有效提高LOBs的综合性能。氧化还原中间体（RMs）作为可溶性催化剂，可以有效强化ORR和OER过程，降低充电过电位，防止超氧化物导致的电解液分解，但其容易与金属锂负极反应。使用单锂离子导体膜可将LOBs分为负极室和正极室，正极电解液中可以加入RM强化正极反应，正负极之间通过传导Li+联通，形成电池的离子通路。由于离子选择性，单离子导体膜可以有效阻隔有机分子、RM和RM+、水分、溶解氧和其他有害分子，并具有优良的离子导电性，因此有效地保护负极锂免受的腐蚀，并强化正极反应，从而实现对LOBs电池反应的综合强化。该膜还可望用于锂硫电池等其他锂金属电池。

【文章简介】

近日，常州大学罗鲲教授课题组在Journal of Energy Storage上发表题为“Protecting

lithium anode with ionic liquid modified poly(vinylidene fluoride) single ion conducting separators for iodide-assisted lithium oxygen batteries”的研究论文。论文首先制备了离子液体(IL)改性聚偏二氟乙烯（PVDF）单离子导体膜，IL的修饰改变了膜的形貌结构，提高了膜的导电性，但不会影响膜的离子选择性。相比于无机单离子导体膜，离子液体改性PVDF隔膜具有成本低，不易碎裂韧性好、易于产业化等优点，对LOBs实用化开发显得尤为重要。本文正极液中加入了LiI作为RM，强化正极反应过程。研究发现，改性PVDF膜可以有效隔离I-和I3-、水分、溶解氧和其他有害分子，并具有优良的离子导电性，因此有效地保护负极锂免受的腐蚀，优化了锂沉积/溶解过程，并强化了正极反应，从而实现对LOBs电池反应的综合强化，电池的循环寿命、倍率性能以及全放电容量均得到大幅度提高。

【本文要点】

(1) 利用IL（1-丁基-3-甲基-咪唑氯盐）修饰PVDF成膜液，烘干成膜后去除IL，然后经过碱化、接枝、磺化等过程制得IL改性PVDF单离子导体膜，制备过程简单、成本低廉。IL改性后，PVDF膜的离子电导率从1.3 ×10-3 S cm-1提高到4.1 ×10-3 S cm-1。

(2) 着眼于LOBs的负极保护和正极过程强化，在正极液中加入RM（LiI）提高放电产物的分解能力。由于IL改性PVDF单离子导体膜可以有效隔离正极液中I-、I3-和其他有害物质，保护锂阳极免受腐蚀，LOBs的性能显著提升。与传统玻璃纤维隔膜相比，在1.0 A g-1的电流密度下电池循环寿命从60个循环延长到210个循环；在2.0、3.0和5.0 A g-1的电流密度下电池倍率性能从44、31和23个循环分别提高到152、129和107个循环；全放电容量也从3700 mAh g-1时增加到17000 mAh g-1。此外，还证实了正极液中不添加RM（LiI）时，使用改性PVDF膜对LOBs性能没有显著改善，表明两者的协同作用对于LOBs性能优化至关重要。

【文章链接】

“Protecting lithium anode with ionic liquid modified poly(vinylidene fluoride) single ion conducting separators for iodide-assisted lithium oxygen batteries”, Journal of Energy Storage, (2022).

doi: https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104580