固态锂金属电池中原位聚合电解质的研究进展

doi:10.7503/cjcu20220670

摘要/Abstract

摘要：

在下一代电池体系中, 固态金属锂电池具有高能量密度潜力, 同时有望避免目前电池面临的燃烧、爆炸等安全隐患. 其中, 固态电解质和电极材料之间的固-固界面接触差是其实用化面临的重要挑战. 近年来, 经电池内部原位聚合反应制得的原位聚合电解质用于固态锂金属电池具备界面一体化提升固-固界面相容性、抑制枝晶的形成、抑制正极过渡金属离子/多硫化物/氧化还原介质的溶解/穿梭并提升电池电化学性能多种优势. 本文首先讨论了聚合电解质的反应机理, 然后分析了电池内部常见电解质的原位聚合原理, 总结了固态锂金属电池中原位聚合电解质的最新研究进展. 最后, 对未来原位聚合电解质的发展方向和商业化应用进行了展望.

关键词: 固态锂金属电池, 原位聚合, 固态电解质, 固-固界面

Abstract:

In the next-generation battery systems， solid-state lithium metal batteries possesses high energy density， which are also expected to avoid the potential safety issues such as combustion and explosion faced by current commercial batteries. However， the poor solid-solid contacts between solid-state electrolytes and electrodes are crucial challenges to hinder their practical applications. In recent years， the in situ polymerized electrolytes prepared by the in situ polymerization reactions inside the battery have multiple advantages for solid-state lithium metal batteries， including improved solid-solid interface compatibility via interface integration， Li dendrite suppression， inhibited dissolution/shuttle of cathode transition metal ions/polysulfides/redox mediators and enhanced electro- chemical performances. This review firstly discusses the reaction mechanism of polymerized electrolytes， and then analyzes the state-of-the-art in situ polymerized electrolytes. Furthermore， the recent research progresses of in situ polymerized electrolytes in solid-state lithium metal batteries is summarized， emphasizing the important roles in the battery cycling. Finally， the conclusion and future prospects on the commercial application of in situ polymerized electrolytes are presented.

Key words: Solid-state lithium metal battery, In situ polymerization, Solid-state electrolyte, Solid-solid interface

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 5

Fig.1 Schematic illustration of batteries with ex situ(A) and in situ polymerized solid electrolytes(B)

Fig.2 Reaction mechanisms of polymerized solid electrolytes（A） Free radical polymerization reaction［75］；（B） ATRP reaction［79］；（C） cationic polymerization reaction［85］；（D） thermal polymerization reaction［88］；（E） UV polymerization reaction［89］.（A） Copyright 2022， Nature Publishing Group；（B） Copyright 2022， Nature Publishing Group；（C） Copyright 2010， Elsevier；（D） Copyright 2021， Elsevier；（E） Copyright 2018， Wiley⁃VCH.

Fig.4 Schematic illustration of various solid⁃state lithium metal battery systems at the solid⁃solid interface of cathode/electrolyte based on in situ polymerization electrolyte（A） Li||S batteries［99］；（B） Li||O2 batteries［109］；（C） Li||NCM batteries［110］；（D） Li||LFP batteries［114］.（A） Copyright 2017， the Royal Society of Chemistry；（B） Copyright 2021， Elsevier；（C） Copyright 2020， Wiley⁃VCH；（D） Copyright 2022， Elsevier.

Fig.5 Schematic illustration of various solid⁃solid interface of Li anode/electrolyte based on in situ polymerization electrolyte（A） LiF⁃Rich interface［115］；（B） robust SEI［116］；（C） Li⁃Sn alloy interface［117］.（A） Copyright 2021， Elsevier；（B） Copyright 2022， Elsevier；（C） Copyright 2022， Elsevier.

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