可充电电池被认为是最有前景的储能方式,因为人类主要依赖更轻便、更高效且环保的储能系统[1,2]。在这种情况下,锂离子电池(LIBs)因具有高能量密度、低自放电率、高电池效率以及适用于不同电极设计的广泛化学电位而变得越来越重要[3,4]。此外,电子设备和便携式产品的普及增加了对LIB的需求[3,4]。尽管LIBs是很有前景的储能装置,但它们面临材料供应有限、成本高昂和安全问题等挑战。特别是在高温环境下,与热管理相关的问题会导致不良副反应和热失控[5,6]。此外,LIBs中使用的传统电解质(1M LiPF6 EC: DMC)的分解电位约为4.5?V vs Li/Li+,意外点燃和爆炸、液体泄漏以及电化学不稳定性限制了其在高能量密度电池中的应用[7,8]。另外,有机电解质会形成不稳定的固体电解质界面(SEI),从而导致较大的界面阻抗和枝晶形成[9, [10], [11]]。
为了解决这些问题,固态电池(SSBs)作为储能装置受到了关注。与传统液态系统相比,SSBs具有更高的热稳定性,降低了火灾和爆炸的风险,并且没有泄漏或腐蚀问题[12]。通过提高SSB中固体电解质的电位窗口,可以提升电池的能量密度[13, [14], [15]]。此外,固态电解质(SSE)能更好地抵抗枝晶形成,从而减少短路和电池故障[16]。要实现最佳性能,需要满足某些标准,如提高离子导电能力、最小化电子导电性以防止自放电,以及提供宽电位窗口以适应电池的工作电压[17, [18], [19], [20]]。固态电解质有三种类型:无机固态电解质(ISE)、有机固态电解质(OSE)和复合固态电解质(CSE)。ISE具有优异的离子导电性和电化学及热稳定性,但其脆性和易碎性导致界面兼容性较差和接触电阻较大[19, [20], [21]]。固态聚合物电解质(Solid Polymer Electrolytes)包括OSE,它们具有出色的机械柔韧性和界面接触性。然而,聚合物在室温下的结晶限制了其导电性[22,23]。CSE结合了ISE和OSE的优点,包括在室温下的适当锂离子导电性、最佳机械强度和良好的界面相互作用[24, [25], [26], [27], [28]]。其中,凝胶聚合物电解质(GPE)和准固态电解质(QSE)特别值得关注。添加增塑剂可以减缓聚合物结晶并提高电解质的离子导电性[29]。Cheng等人[30]制备了一种以聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(PVdF-HFP)为共聚物和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDMA)为增塑剂的凝胶电解质。PVdF-HFP/PEG/PEGDMA(5/3/2)电解质在室温下的离子导电性为1?mS?cm?1,电解质在锂金属表面形成了稳定的钝化层。Pradeepa等人[31]合成了基于聚(环氧乙烷)和PVdF-HFP的有机-无机杂化膜,并添加了不同浓度的钛酸钡(BaTiO3)填料,使离子导电性提高到6?mS?cm?1?1n,提高了电解质的兼容性和离子导电性。
室温离子液体(RTILs)由于其不可燃和非挥发性,在宽温度范围内成为更安全的LIB应用的选择[34]。此外,它们的高热稳定性和离子导电性使其成为工业应用中的理想电解质[35]。Ferrari等人[36]制备了一种浸渍在含有LiTFSI的醚功能化吡咯里啶inium-咪唑ILs和填料(如介孔和商业纳米SiO2)溶液中的PVdF-HFP膜。ILs和填料的使用提高了离子导电性(0.25?mS?cm?1)和锂离子传输数。Siti等人[37]在以PVdF-HFP为骨架聚合物基质的GPE中添加了1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(PF6)作为添加剂,从而提高了电解质的离子导电性。
在本研究中,我们通过将PVdF-HFP聚合物与聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)作为增塑剂结合,开发了一种QSE。这种薄聚合物薄膜浸入1M LiPF6在EC: DMC和IL(1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐)的溶液中。预期IL的加入将提高电解质的离子导电性、传输数、锂离子扩散率和循环稳定性。此外,IL还有助于形成稳定的SEI层,增强电极和电解质之间的界面稳定性,并防止枝晶生长。锂金属组件展示了采用优化后的准固态聚合物电解质(QPE)-IL组合的LNMO电化学性能的提升。此外,IL的阻燃特性也有助于提高LIB系统的安全性。