溶剂锚定与界面强化协同构筑稳定聚合物锂金属电池OA

聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物电解质在固态锂金属电池(SSLMB)领域具有巨大的潜力,但它们的实际应用受到制备过程中残留溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的限制。残留的DMF虽然可确保快速的离子传输,但其与锂金属剧烈的副反应严重损害了负极稳定性。本研究提出添加剂-填料协同的溶剂锚定策略,将离子液体1-丁基-3-甲基咪唑硝酸盐([BMIM][NO_(3)])、硼酸锌(Zn_(4)B_(6)O_(13),ZB)和多功能陶瓷填料Li_(6.4)La_(3)Zr_(1.4)Ta_(0.6)O_(12)(LLZTO)引入PVDF基聚合物,制备了一种厚度为40μm的固态复合电解质薄膜(PBZL)。通过密度泛函理论(DFT)计算和分子动力学(MD)模拟,ZB和LLZTO对残留的DMF分子展现出极强的吸附作用,抑制其向电极侧迁移并减轻界面副反应。[BMIM][NO_(3)]的引入使NO_(3)^(-)阴离子进入Li^(+)的初级溶剂化壳,从而削弱Li^(+)-DMF配位;并且在负极优先被还原,促进富含无机物的固态电解质界面(SEI)的形成。得益于形成了富含LiF、Li_(3)N、Li-Zn合金的坚固SEI,组装的LiPBZLLi对称电池在0.3 mA/cm^(2)电流密度下能稳定循环2000小时以上,其循环寿命远超未改性的PVDF锂对称电池(30小时)。此外,LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)PBZLLi电池在30℃、0.5 C下循环200圈后,放电比容量高达162.1 mAh/g,容量保持率为90.2%,并且在倍率性能测试中2 C下仍能提供138.7 mAh/g的放电比容量,展现出优越的循环稳定性及倍率性能。本研究强调了溶剂锚定与界面强化是稳定锂金属负极、构筑高性能聚合物固态电池的关键策略。