磺化PVDF-HFP/SiO2准固态复合电解质提升锂氧电池循环稳定性与安全性的创新研究

本刊推荐：本研究通过磺化改性PVDF-HFP聚合物与SiO2纳米填料复合，开发出兼具高离子电导率（1.29 mS cm?1）和宽电化学窗口（5.2 V vs. Li/Li+）的准固态电解质（QSE）。该设计有效抑制锂枝晶生长和碘化锂（LiI）穿梭效应，使锂氧（Li-O2）电池在限容条件下循环寿命达191次，显著优于液态电解质体系，为高能量密度电池的安全应用提供新策略。

　　

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物化性质

X射线衍射（XRD）分析有助于理解聚合物的结晶度、相组成和分子排列。研究表明聚合物电解质的离子电导率主要与聚合物或复合电解质的非晶相相关。图2a展示了SiO₂纳米填料及不同膜（包括PVDF-HFP、SPVDF-HFP和含不同比例SiO₂纳米填料的复合SPVDF-HFP）的XRD图谱。SiO₂的XRD图谱显示出典型的非晶弥散峰，而原始PVDF-HFP膜在18.5°、20.1°和26.7°处显示出明显的结晶峰，分别对应(020)、(110)和(021)晶面。磺化后，SPVDF-HFP膜的结晶峰强度显著降低，表明磺化过程有效破坏了聚合物链的规整性，促进了非晶相的形成。随着SiO₂纳米填料的加入，复合膜的结晶峰进一步宽化且强度减弱，证实SiO₂的引入增强了聚合物基体的非晶特性，为锂离子传输提供了更多通道。

结论

本研究成功开发了用于锂氧（Li-O₂）电池的复合磺化聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯（SPVDF-HFP）基优化准固态电解质（QSE）。SiO₂纳米填料的加入促进了聚合物基体内形成坚固的互联结构，实现了液态电解质的高效保留，并有助于提升离子电导率、机械稳定性和结构完整性。磺化改性显著增强了锂离子传输，抑制了碘化锂（LiI）氧化还原介体的穿梭效应，并通过均匀锂沉积有效遏制了锂枝晶生长。该QSE在30°C下表现出1.29 mS cm^?1的离子电导率、0.66的锂离子迁移数和5.2 V vs. Li/Li⁺的电化学稳定窗口。在限制容量条件下，基于QSE的Li-O₂电池实现了191次的循环寿命，显著优于液态电解质体系。循环后分析表明，锂枝晶生长和阳极粉化现象得到有效抑制，形成了稳定的固体电解质界面（SEI）。这种聚合物-陶瓷杂化设计解决了Li-O₂电池的关键挑战，提供了更高的安全性、性能和耐久性。这些发现确立了QSE在未来储能系统中的可行性，推动了高能量密度Li-O₂电池的实际应用进程。