液态金属负载分子筛：用于聚合物固态电解质的枝晶锂阻挡专用填料

液态金属负载分子筛：用于聚合物固态电解质的枝晶锂阻挡专用填料

目前，全固态锂金属电池（LMB）是实现高能量密度和高安全性电池的最佳候选材料之一。然而，即使是迄今为止最流行的离子导电聚合物固体电解质（SSE），聚环氧乙烷（PEO），也因锂枝晶的安全问题和离子导电性不足而面临巨大挑战。

浙江大学陆俊、广东工业大学张善清、清华大学杨成团队将分子筛（MS）作为惰性填料、液态金属（LM）作为功能模块集成到PEO中，形成“LM-MS-PEO”复合材料，既是增强离子电导率的SSE，又是防止锂枝晶的保护层。理论和实验研究表明，从MS中释放出来的锂金属可以均匀高效地分布在PEO中，从而避免团聚，有效阻断锂枝晶，调控锂离子的传质，实现充放电过程中锂的均匀沉积。此外，MS还能降低PEO的结晶度，提高锂离子电导率，降低工作温度。由于引入了功能化的MS/LM，LM-MS-PEO电解液在40℃下的锂离子电导率比原PEO提高了4倍，组装的全固态LMB的稳定循环寿命延长了4至5倍。 该成果发表在《Metal Sieve: for Solid-state》杂志上，钱教授为第一作者。

图 1. LM-MS 填料的合成和形态。

图2. LM-MS填料在PEO中的分布形态。

图 3. 原始 PEO、MS-PEO、15LM-MS-PEO 和 30LM-MS-PEO 固体电解质的初步电化学特性。

图4. 50次循环后锂箔与保护电解质膜界面的SEM图像和嵌入的EDS图像。

图5.电解质保护膜的机理。

图 6. 使用 MS-PEO、15LM-MS-PEO 和 30LM-MS-PEO 固体电解质组装的 LMB 的电化学特性。

【综上所述】

综上所述，研究人员制备了一种能够阻止锂枝晶穿透的高效电解质层，除了具有特殊的功能外，电解质本身的锂离子电导率和电化学性能也得到了提升。这种LMMS保护层中添加分子筛颗粒，可以达到双重效果：提高PEO电解质的锂离子电导率，使液态金属均匀高效地分散在PEO中。TOF-SIMS分析结果表明，分散的液态金属液滴对锂离子的输送和沉积具有引导作用。此外，液态金属与锂枝晶的高反应性可以阻止锂枝晶穿透LMMS层。因此，具有LMMS层的电池在合适的电流密度下表现出优异的循环性能；而在极端电流密度下，电池可以有效避免短路。与直接在锂金属表面涂覆液态金属相比，LMMS膜可以大大减少液态金属的用量，从而降低成本。 LMMS薄膜制备及涂覆工艺简单，对环境条件要求不高，具有大规模应用的潜力，有助于锂、镍等金属负极全固态电池的安全应用。

DOI: 10.1002/adma。