固體聚合物電解質 （SPE） 為電池應用提供了固有的優勢，例如高安全性和出色的加工性能，但其實際應用受到離子電導率低、機械性能不佳和電極/電解質界面不穩定等挑戰的限制。在這里，開發了一種新型的固態聚合物電解質（SPEs），通過在聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）基體中嵌入經過甲氧基聚乙二醇（mPEG）修飾的二維MXene納米片，并添加琥珀內酯（SN）作為增塑劑。這種創新設計不僅提高了MXene在PVDF-HFP中的相容性，還通過SN的協同效應促進了鋰鹽的解離。所制備的SPE在30℃時展現出1.49 × 10
-4 S cm
-1的離子導電性和0.59的鋰離子遷移數。這些SPEs在Li/Li對稱電池中能夠穩定運行超過2100小時，并且在鋰/磷酸鐵鋰（Li/LiFePO
4）全電池中經過100個循環后，仍能以98.9%的平均庫侖效率提供135.4 mAh g
-1的顯著容量。此外，使用這些SPEs的鋰/鎳鈷錳氧化物（Li/LiNi
0.6Co
0.2Mn
0.2O
2）全電池在0.5 C的電流密度下運行超過200個循環后，展示了140.5 mAh g
-1的容量和99.6%的卓越容量保持率。這些結果證明了通過表面工程化的MXene和增塑劑SN的結合，可以顯著提升SPEs的性能，為制造高性能的固態鋰金屬電池提供了新的思路。
Fig 1. a) 通過硅烷偶聯劑水解將甲氧基聚乙烯 glycol (mPEG) 接枝到MXene表面的示意圖，以及制備基于MXene的固態聚合物電解質的過程。b) MXene納米片的SEM圖像。c) MP的SEM圖像。d) MXene和MP分散在DMF中的Tyndall效應。e) Ti3AlC2、MXene和MP的XRD圖譜。f) MXene和MP的XPS總譜。g) MXene和MP的TGA曲線。
Fig 2. a) PH膜的數字圖像。b) PH-Li SPE的數字圖像。c) PH-Li-SN−2MP SPE的數字圖像。d) PH-Li-SN−2MP SPE的數字圖像。e) PH-Li SPE的SEM圖像。f) PH-Li-SN−2MP SPE的SEM圖像。g) 純PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的XRD圖譜。h) 純PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的FTIR圖譜。i) 純PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的應力-應變曲線。j) 純PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的TGA曲線。k) 純PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的DSC曲線。l) PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的火焰測試圖片。
Fig 3. a) SS/PH-Li-SN−2MP/SS電池在不同溫度下的Nyquist圖。b) PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的離子電導率Arrhenius圖。c) PH-Li-SN−2MP電池在10 mV極化下的極化曲線。d) PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的線性掃描伏安曲線。e) Li/PH-Li/Li和Li/PH-Li-SN−2MP/Li電池在不同電流密度下的恒流循環曲線。f) Li/PH-Li/Li和Li/PH-Li-SN−2MP/Li電池在0.5 mA cm
−2下1小時的恒流循環曲線。g) Li/PH-Li/Li和Li/PH-Li-SN−2MP/Li電池在0.1 mA cm
−2下1小時的恒流循環曲線。h) Li/PH-Li/Li和Li/PH-Li-SN−2MP/Li電池在0.2 mA cm
−2下0.5小時的恒流循環曲線。
Fig 4. a) Li/PH-Li/Li電池中Li金屬陽極表面的SEM圖像。b,c) PH-Li SPE的Li
+濃度和電勢分布。d) Li/PH-Li-SN−2MP/Li電池中Li金屬陽極表面的SEM圖像。e,f) PH-Li-SN−2MP SPE的Li
+濃度和電勢分布。g) Li/PH-Li-SN−2MP/Li電池在100個循環后Li金屬陽極上形成的固體電解質界面（SEI）層的成分分析。h) SEI層中Li, O, F, C, S, 和 N的原子百分比隨Ar
+濺射時間的變化。i) C 1s, j) F 1s核級區域的XPS圖譜；相應的擬合曲線也已繪制。
Fig 5. a) PH-MXene和PH-MP界面的電子局域函數圖。b) PH-MXene和PH-MP系統的界面結合能。c) MXene-Li
+和MXene-TFSI
−系統的吸附能。d) MP-Li
+和MP-TFSI
−系統的吸附能。e) 使用PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE進行剝離/沉積循環的示意圖。
Fig 6. a) Li/PH-Li/LFP和Li/PH-Li-SN−2MP/LFP電池的倍率性能。b) Li/PH-Li-SN−2MP/LFP電池在不同倍率下的充放電曲線。c) Li/PH-Li/LFP和Li/PH-Li-SN−2MP/LFP電池在0.2 C下的循環性能。d) Li/PH-Li/LFP和Li/PH-Li-SN−2MP/LFP電池在0.5 C下的循環性能。e) Li/PH-Li-SN−2MP/LFP電池初始和50個循環后的EIS曲線。f) Li/PH-Li-SN−2MP/LFP全電池在0.5 C下50個循環后LFP陰極的C 1s核級區域的XPS圖譜。
Fig 7. a) Li/PH-Li/NCM和Li/PH-Li-SN−2MP/NCM電池的倍率性能。b) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM電池在不同倍率下的充放電曲線。c) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM電池在0.5 C下的循環性能。d) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM電池在0.5 C下的充放電曲線。e) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM電池初始和50個循環后的EIS曲線。f) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM全電池在0.5 C下50個循環后NCM陰極的C 1s的XPS圖譜。
相關研究工作由荷蘭格羅寧根大學Giuseppe Portale課題組于2024年在線發表在《Advanced Functional Materials》期刊上，MXene Surface Engineering Enabling High-Performance Solid-State Lithium Metal Batteries，原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202416040
轉自《石墨烯研究》公眾號
