原位聚合复合聚合物电解质与原子层沉积技术助力高压固态锂电池的双界面工程设计

《ACS Applied Energy Materials》：In Situ Polymerized Composite Polymer Electrolyte and Atomic Layer Deposition Enable Dual-Interface Engineering for High-Voltage Solid-State Lithium Batteries

　　

摘要

尽管高镍三元正极材料（NCM811）具有较高的比容量，但在循环使用过程中会出现界面反应、过渡金属溶解以及结构劣化等问题。为稳定正极表面，通过粉末原子层沉积技术在NCM811表面形成一层厚度约为2.5纳米的均匀Li₃PO₄涂层。该涂层能有效抑制高压相变并减少电解质氧化。此外，还通过原位聚合方法制备了以聚乙二醇二甲基醚为基料的复合聚合物电解质。在此体系中，聚甲基丙烯酸甲酯网络起到机械支撑作用，而低分子量的PEGDME则负责提供离子传导通道。加入7.5重量百分比的Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂（LLZTO）后，离子电导率在60摄氏度时提升至3.47×10^–4 S cm^–1，Li⁺传输数则达到0.665，这主要是由于LLZTO填料在聚合物基质中形成了额外的Li⁺传导路径。通过将经过Li₃PO₄涂层的正极与优化后的电解质结合，这种固态电池在0.5C电流密度、4.3伏电压、60摄氏度条件下能够实现152.0毫安时/克的放电容量，并且在经过170次循环后仍能保持77.88%的容量。这种“双界面”改性策略有效提升了高压正极材料与聚合物电解质之间的相容性，为实用型固态电池的开发提供了新的思路。

支持信息

支持信息可免费获取，网址为：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.6c01474。

• 图S1：ALD实验系统的示意图。图S2：Li₃PO₄@NCM811在350摄氏度下退火前后 的XPS光谱图，(a)为Li 1s谱线，(b)为Ni 2p谱线。图S3：厚度为2.5纳米的多个Li₃PO₄@NCM811颗粒的HRTEM图像。图S4：在0、20和40纳米的刻蚀深度下，(a)Li₃PO₄@NCM811和(b)NCM811中镍元素的XPS深度分布分析图。图S5：PEGDME聚合物电解质在(a)原位聚合之前和(b)原位聚合之后的数字照片。图S6：不同单体比例下PEGDME与PMMA聚合物电解质的离子电导率随温度的变化情况。图S7：(a)PEGDME聚合物电解质的照片；(b)、(c)该电解质的SEM图像；(d)至(f)该电解质的元素分布图。图S8：不同LLZTO含量下基于PEGDME的复合电解质的DSC曲线图。图S9：不同LLZTO含量下PEGDME?LLZTO复合电解质的SEM图像，观察尺度为5微米：(a)2.5重量百分比，(b)5重量百分比，(c)7.5重量百分比，(d)10重量百分比，(e)12.5重量百分比；(f)25微米尺度下PEGDME?7.5% LLZTO复合电解质的SEM图像。图S10：(a)不同LLZTO浓度下PEGDME聚合物电解质的LSV曲线图；(b)LSV曲线局部放大图。图S11：在PEGDME/LiTFSI电解质中循环使用后的锂电极的XPS光谱图。图S12：经循环使用的PEGDME/LiTFSI电解质与PEGDME/LiDFOB电解质的FT-IR光谱图。图S13：(a)Li₃PO₄@NCM811|PEGDME?7.5% LLZTO电池的充放电曲线图，(b)NCM811|PEGDME?7.5% LLZTO电池的充放电曲线图。图S14：正极在(a)Li₃PO₄@NCM811|PEGDME?7.5% LLZTO|Li电池循环使用之后以及(b)NCM811|PEGDME?7.5% LLZTO|Li电池循环使用之后的SEM图像。表S1：在PEGDME/LiDFOB电解质中循环使用后，锂金属负极表面形成的SEI层的XPS峰拟合参数。表S2：2020年至2026年间，工作截止电压高于4.3伏的Li₃PO₄@NCM811半电池的电化学性能汇总表。表S3：在60摄氏度、3.0至4.3伏电压、0.5C电流密度条件下，第1次和第100次循环时(a)Li₃PO₄@NCM811|PEGDME?7.5% LLZTO|Li电池与(b)NCM811|PEGDME?7.5% LLZTO|Li电池的EIS拟合结果（文档格式为DOCX）

? 2026 美国化学学会