Angew：调节复合固态电解质中多孔有机聚合物的空间位阻诱导锂离子电池中富氟化锂的SEI层的形成

随着现代社会对清洁能源需求的不断增加，锂离子电池的应用也越来越广泛。与目前商业化的锂离子电池相比，搭配固态电解质的全固态锂金属电池具有更好的安全性和更高的能量密度，被认为是极具发展前景的关键储能技术。

然而锂金属负极会与电解质反应形成一层不稳定的固态电解质中间层（SEI），SEI的成分对电池性能影响显著。其中氟化锂（LiF）因其高界面能、高化学稳定性和低Li⁺扩散势垒的特点，被广泛认为是通过增强Li⁺输运动力学和调节界面锂沉积行为来稳定SEI的关键组分。

近日，湘潭大学的张彪副教授、马增胜教授和华南理工大学的刘军教授合作，通过设计一系列具有不同空间位阻的多孔有机聚合物（PAN-X）作为填料，制备了一系列PEO基复合固态电解质（CSE-X-Me），发现单向空间位阻可以使锂盐阴离子（TFSI^-）充分获得电荷，进而构建了富LiF的SEI层，显著提高了PEO基固态锂金属电池的性能。

通过多种测试和DFT计算，发现空间位阻显著影响TFSI^-的分解动力学过程。其中无甲基的空间位阻（CSE-0-Me）使得多个TFSI^-互相竞争，导致TFSI^-无法充分捕获电荷；单个甲基的空间位阻（CSE-1-Me）可以有效消除TFSI^-的竞争关系，使TFSI^-充分捕获电荷，加快TFSI^-的分解动力学过程，促进其分解为LiF，从而构建富LiF的SEI层。

通过扫描电子显微镜观察循环后的锂负极表面，对比发现匹配CSE-1-Me电解质的锂负极表面更加平坦，这是由于催化形成的富LiF的SEI能促进锂均匀沉积，有效抑制锂枝晶的生长。进一步对组装的LiFePO₄/CSE/Li全电池进行测试，结果表明得益于单个甲基的空间位阻催化TFSI^-分解形成富LiF的SEI层，LiFePO₄/CSE-1-Me/Li电池具有高的库伦效率和优异的循环稳定性。该工作为构建富LiF的SEI层提供了新的认识。

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Regulating Steric Hindrance of Porous Organic Polymers in Composite Solid-State Electrolytes to Induce the Formation of LiF-Rich SEI in Li-Ion Batteries

Zishao Zhao, Xuanyi Zhou, Biao Zhang, Fenfen Huang, Yan Wang, Zengsheng Ma, and Jun Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202308738

导师介绍

马增胜

https://www.x-mol.com/university/faculty/154695 

刘军

https://www.x-mol.com/university/faculty/27040