商用级TiO2添加剂增强固态聚合物锂电池性能：迈向工业规模应用之路

本文推荐了一种利用商业级TiO2纳米颗粒（1-3%）增强聚环氧乙烷（PEO）基固态聚合物电解质（SPE）的简易、可规模化策略。研究表明，含1% TiO2的电解质（SPE1）展现出优异的离子电导率（3.94 × 10?3 S/cm，60°C）、高锂离子迁移数（tLi+ = 0.59）及稳定的锂沉积/剥离性能（450小时）。组装的LiFePO4‖Li全电池在1C倍率下循环300次后仍保持126 mAh/g的放电容量和99%的库伦效率，证明了该体系在未来安全、高性能固态锂金属电池（LMBs）中的工业化潜力。

　　

亮点

XPS分析用于检测含有不同量TiO₂（0, 1, 2, 和 3%）的PEO基SPE的表面元素组成。广谱扫描（图1a）证实所有样品中都存在C、O、F、S和Li元素，这与聚合物基质（PEO, PVDF）和LiTFSI盐相对应。在高分辨率谱图中（图1b–f），在结合能O 1s（～532.3 eV，图1b）、F 1s（～684.8 eV 和 ～687.0 eV，图1c）、C 1s（～284.8 eV和 ～286.3 eV，图1d）、S 2p（～167.8 eV 和 ～168.9 eV，图1e）以及Li 1s（～55.1 eV，图1f）处观察到了清晰的峰。值得注意的是，随着TiO₂含量的增加，O 1s和C 1s的峰强度逐渐降低，这表明TiO₂纳米颗粒成功掺入并影响了聚合物基体的表面化学环境。F 1s谱图显示在～684.8 eV和～687.0 eV处有两个峰，分别归属于PVDF的-CF₂-基团和LiTFSI盐中的-F物种。随着TiO₂的加入，-CF₂-峰的强度相对降低，表明TiO₂与聚合物链之间存在相互作用。S 2p和Li 1s谱图进一步证实了LiTFSI的成功复合，且其化学环境受TiO₂添加的影响较小。

结果与讨论

含有1% TiO₂的SPE1样品表现出最优异的综合性能。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，TiO₂纳米颗粒均匀分布在PEO基质中，有效破坏了PEO的结晶区域，形成了更有利于锂离子传输的无定形相。差示扫描量热法（DSC）分析证实，SPE1的结晶度显著低于不含填料的SPE0样品。电化学阻抗谱（EIS）测试表明，SPE1在60°C下具有最高的离子电导率，达到3.94 × 10^?3 S/cm。线性扫描伏安法（LSV）测试显示SPE1的电化学稳定窗口拓宽至约5.16 V（vs. Li⁺/Li），优于SPE0的4.55 V。恒电流循环测试中，Li‖Li对称电池使用SPE1电解质在0.25 mA/cm²的电流密度下实现了超过450小时的稳定锂沉积和剥离，且电压曲线平稳，无剧烈波动，表明其优异的界面稳定性和抑制锂枝晶的能力。组装成的LiFePO₄‖Li全电池在1C倍率下循环300次后，仍能提供126 mAh/g的放电容量，库伦效率稳定在99%左右。原位EIS分析显示，在循环过程中，SPE1基电池的沃伯格电阻（R_w）和电荷转移电阻（R_CT）均有所降低，反映了界面离子传输效率的持续改善。

结论

本研究成功证明了使用TiO₂作为无机稳定剂可以有效稳定PEO基SPE。结构和电化学研究表明，可控地添加TiO₂可以增强机械稳定性、降低结晶度并提高离子电导率。SPE1表现出最高的离子电导率（3.94 × 10^?3 S/cm）和锂离子迁移数（t_Li+ = 0.59），其性能优于SPE0、SPE2和SPE3。Li || Li对称电池分析证明了在0.25 mA/cm²电流密度下超过450小时的稳定沉积/剥离行为。此外，LiFePO₄‖Li全电池在1C倍率下经过300次循环后显示出126 mAh/g的高放电容量和99%的库伦效率。这些发现突出了所开发的SPE1系统在推进高能量密度、安全固态锂金属电池商业化方面的巨大潜力。