多功能阻燃微球构建稳定电极-电解质界面实现安全高电压高能量密度锂电池

本工作创新性地合成多功能阻燃微球（HT）并应用于聚环氧乙烷（PEO）基固态电解质，通过降低结晶度、促进锂盐解离和稳定电极界面等协同机制，显著提升离子电导率（4.7 V电化学窗口）和循环稳定性（NCM811//Li电池100圈容量保持率77.4%），同时通过气相自由基淬灭和凝聚相成炭作用增强电池安全性，为高性能固态锂电池开发提供新策略。

　　

Highlight

多功能阻燃微球（HT）通过物理阻碍和弱氢键相互作用协同降低PEO结晶度，促进锂盐解离，提高自由Li⁺迁移率和浓度，将电化学窗口扩展至4.7 V。HT稳定电极-电解质界面，促进SEI（固体电解质界面）和CEI（正极电解质界面）层中稳定组分（如LiF、Li₃N和Li_xPO_y）形成，有效抑制锂枝晶生长。NCM811//Li电池在4.3 V和0.5C条件下循环100次后容量保持率达77.4%。此外，HT通过气相自由基清除和凝聚相碳化增强防火安全性，使软包电池热释放降低约10%。

材料

聚环氧乙烷（PEO, M_W = 600,000）、吡啶（Py）、乙腈（ACN）和1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP, 99.9%）购自Macklin。三(2-羟乙基)异氰尿酸酯（THEIC, 98%）购自阿拉丁。NCM811正极（多晶）、双(三氟甲磺酰)亚胺锂（LiTFSI, 99.5%）和聚乙烯（PE, 12 μm）隔膜购自Canrd，直接使用。Super-p（SP）购自Timcal。聚偏氟乙烯（PVDF, HSV900）购自Arkema。六氯环三磷腈（HCCP, 98%）购自北京华威锐科化工有限公司。所有化学品均未经进一步纯化直接使用。

PEO/PE和HT-PEO/PE电解质的表征

首先，图2a显示了HCCP、THEIC和合成HT的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。HCCP中的特征峰1200 cm^?1归属于P–N，540 cm^?1处为P–Cl。THEIC在3250–3450 cm^?1（–OH）、1680 cm^?1（C=O）和1470 cm^?1（C=N）出现特征峰。在HT光谱中，540 cm^?1和3250–3450 cm^?1处峰强度显著降低，残留羟基是过量THEIC所致。

结论

成功合成高效多功能阻燃微球HT并应用于PEO基全固态电池。HT通过物理阻碍和弱氢键作用降低PEO结晶度，增强离子电导率。HT表面富集路易斯酸位点促进LiTFSI解离，提高自由Li⁺浓度。HT参与界面电化学过程，促进稳定电极-电解质界面形成，丰富CEI和SEI层中稳定组分（如LiF、Li₃N和Li_xPO_y），有效抑制锂枝晶和电解质分解。这些协同效应将电化学稳定窗口拓宽至4.7 V，改善循环性能，更好匹配高电压正极。NCM811//Li电池在4.3 V和0.5C下循环100次后容量保持率达77.4%。最后，HT通过气相自由基清除和凝聚相碳化机制显著降低电池燃烧风险。最终，5%HT-PEO/PE（HT-PEO/PE）软包电池表现出优异阻燃性能和机械耐久性。这种简单、便捷、易加工且经济高效的方法有望为高能量密度安全SPEs电池开发提供新策略。