定制聚环氧乙烷固态电解质中氢键网络以提升固态电池性能

《Journal of Energy Storage》：Tailoring hydrogen-bonded networks in polyethylene oxide-based solid-state electrolyte for high solid-state battery performance

本文创新性地将ZnO量子点(QDs)与尿素协同引入聚环氧乙烷(PEO)基固态电解质，通过ZnO QDs降低PEO结晶度、尿素构建氢键网络的双重策略，显著削弱了PEO与Li+的强配位作用，同时提升电解质机械性能。所得电解质在60°C下离子电导率达2.54 mS cm?1，组装的Li//Li和LiFePO4//Li电池分别实现1900小时和2000次稳定循环，展现了优异的高温电化学性能。

　　

Highlight

本研究通过将ZnO量子点(QDs)和尿素同时掺入聚环氧乙烷(PEO)基固态电解质，实现了氢键网络的可控定制。ZnO QDs有效降低了PEO的结晶区域，而尿素则构建了广泛的氢键网络。该网络不仅减轻了PEO与Li⁺之间的强配位作用，还增强了电解质的机械性能。基于此，固态电解质及其对应电池表现出卓越的电化学性能。

Materials

主要化学试剂和实验材料包括：乙醇(EtOH, 纯度≥99.7%)、二水合醋酸锌(Zn(Ac)₂·2H₂O, 纯度≥99.0%)、氢氧化钾(KOH, 纯度≥85.0%)、正己烷(纯度≥97.0%)、无水乙腈(ACN, 纯度=99.8%)、聚环氧乙烷(PEO, 分子量Mw=600,000)、N-甲基吡咯烷酮(NMP, 纯度≥99.0%)、尿素(纯度≥99.0%)、双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)。

Results and discussion

支持信息中的图S1(a)展示了ZnO QDs溶胶和LiTFSI在ACN分散体系中的TEM图像，表明ZnO QDs分散良好无团聚。图S1(b)显示了ZnO QDs的粒径分布及高斯拟合曲线，观测到其平均直径为4.25 nm。图S2展示了PEO-LZU的SEM表面显微照片和EDS元素分布图，揭示了更均匀的元素分布。

Conclusion

本研究中，ZnO QDs和尿素被同时引入PEO基固态电解质，开发出在60°C下具有优异离子传输能力和长期循环性能的固态电池。PEO-LZU在60°C下的离子电导率高达2.54 mS cm^?1，活化能(E_a)低至0.19 eV。制备的LiFePO₄//Li电池在1C倍率下稳定循环2000次。此外，Li//Li电池和LiFePO₄//Li电池均表现出优异的电化学稳定性。