超高分子量聚乙烯的粘结研究进展（增强聚环碳酸酯-醚）

小君 2023-05-28 01:03:47 561

超高分子量聚乙烯的粘结研究进展（增强聚环碳酸酯-醚）【内容表述】作为传统液态锂离子电池的组成部分，隔膜本身就是一个优良的3D骨架，其较高的产业化水平为推动相关研究带来了更高的可能性。围绕最常见的聚丙烯 (PP) 隔膜进行过许多研究，但LIBs的性能显著受限于其惰性，而纤维素 (CL) 作为最近出现的一种新型隔膜，具有高孔隙率和相容性、丰富的活性基团和优异的机械性能，可以在提供高强度的骨架支撑的同时与基体相互作用，实现界面塑化。锂离子电池（LIBs）因高功率密度和长使用寿命而受到广泛关注，而开发具有良好电化学性能和高机械强度的固态电解质（SSEs）是提高LIBs能量密度和安全性能的首选，而聚合物基复合固态电解质（CPE）因优异的综合性能在众多SSEs中脱颖而出。聚环氧乙烷 (PEO) 是 CPE 最常用的聚合物基体，其质地柔软，与电极界面接触好，但其离子迁移能力通常受限于室温下的高结晶度，因此离子电导率(σ)并不理想。此时，由于更有利于锂盐的

同济大学杨正龙教授课题组CEJ：新型纤维素增强聚（环碳酸酯-醚）基复合固态电解质的制备及LIBs的简易界面改性策略

超高分子量聚乙烯的粘结研究进展（增强聚环碳酸酯-醚）(1)

【文章信息】

复合聚合物电解质、环碳酸酯、纤维素隔膜、凝胶过渡层、锂离子电池

【研究背景】

锂离子电池（LIBs）因高功率密度和长使用寿命而受到广泛关注，而开发具有良好电化学性能和高机械强度的固态电解质（SSEs）是提高LIBs能量密度和安全性能的首选，而聚合物基复合固态电解质（CPE）因优异的综合性能在众多SSEs中脱颖而出。

聚环氧乙烷 (PEO) 是 CPE 最常用的聚合物基体，其质地柔软，与电极界面接触好，但其离子迁移能力通常受限于室温下的高结晶度，因此离子电导率(σ)并不理想。此时，由于更有利于锂盐的解离和Li 的传输，新型聚合物基体聚碳酸酯近年来开始迅速发展。

为了保障CPE的整体性能，还需要对聚合物基体进行电化学性能改进和机械增强，前者可以借助离子液体（IL）等典型的增塑剂，而后者则常依赖于三维（3D）骨架，常见的骨架如玻璃纤维、聚酰亚胺多孔膜和聚酰胺多孔膜等。

作为传统液态锂离子电池的组成部分，隔膜本身就是一个优良的3D骨架，其较高的产业化水平为推动相关研究带来了更高的可能性。围绕最常见的聚丙烯 (PP) 隔膜进行过许多研究，但LIBs的性能显著受限于其惰性，而纤维素 (CL) 作为最近出现的一种新型隔膜，具有高孔隙率和相容性、丰富的活性基团和优异的机械性能，可以在提供高强度的骨架支撑的同时与基体相互作用，实现界面塑化。

【内容表述】

在本工作中，首先选取乙烯基碳酸亚乙酯（VEC）作为新型环状碳酸酯单体来合成CPE的聚合物基体，其较大的偶极矩有利于促进锂盐解离并与Li 相互作用，提高Li 的扩散效率。同时，受到“刚柔耦合”的启发，引入具有柔性主链的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）作为交联点，以协同降低Li 的迁移势垒和体系硬度。

随后，借助快速简单的紫外光固化将它们合成为一种以碳酸酯为主体、聚醚优化的新型交联聚合物网络，命名为 P(VEC-co-EGDMA)。再进一步通过IL和CL实现对基体的液体增塑和机械增强，IL为Li 的传输构建了快速通道，CL则通过极性官能团实现了界面塑化，同时补偿IL造成的机械强度损失，两者协同保障了CPEs的电化学性能和机械强度，最佳样品 (PI64/CL) 的离子电导率、电化学稳定性窗口和拉伸强度分别达到了3.60×10-4 S cm-1 (25 °C) 5.6 V和 4.50 兆帕。

超高分子量聚乙烯的粘结研究进展（增强聚环碳酸酯-醚）(2)

图1 红外验证聚合物基体的成功合成及各CPE的相关性能对比

超高分子量聚乙烯的粘结研究进展（增强聚环碳酸酯-醚）(3)

图2 各CPE的相关性能对比

将各CPE与锂片负极、磷酸铁锂（LFP）正极组装成Li||LFP电池，通过对比不同倍率下的比容量发现最优样PI64/CL存在容量上限，由于其厚度仅为30 μm，因此推测是电解质/正极界面接触不良导致。

超高分子量聚乙烯的粘结研究进展（增强聚环碳酸酯-醚）(4)

图3 各CPE的相关性能对比

为了避免CL暴露并优化固固界面接触，通过简便的浇注固化方法在CPE/正极界面处添加了5 μm厚的PEO-LLZTO-IL凝胶过渡层（PL）。PEO质地柔软，因此被用作界面过渡层的基体，而LLZTO无机导电颗粒和IL增塑剂则协同调节其电化学性能和软硬特性。一方面，含量在阈值附近（~10wt%）的LLZTO可以降低PEO的结晶度，颗粒表面区域发生的渗流行为有助于固定TFSI-并促进Li 的快速传输，同时IL可以显著拓宽PEO的电化学稳定性窗口，进而确保其在高电压下更好的抗氧化稳定性。另一方面，“刚性”的LLZTO和“流动”的IL进一步优化调整了PEO的软硬特性，以形成粘度适宜、可塑性强的凝胶过渡层，从而保证了CPE/正极界面的连续、均匀、致密和离子导电性。

超高分子量聚乙烯的粘结研究进展（增强聚环碳酸酯-醚）(5)