固体聚合物电解质 （SPE） 为电池应用提供了固有的优势，例如高安全性和出色的加工性能，但其实际应用受到离子电导率低、机械性能不佳和电极/电解质界面不稳定等挑战的限制。在这里，开发了一种新型的固态聚合物电解质（SPEs），通过在聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）基体中嵌入经过甲氧基聚乙二醇（mPEG）修饰的二维MXene纳米片，并添加琥珀内酯（SN）作为增塑剂。这种创新设计不仅提高了MXene在PVDF-HFP中的相容性，还通过SN的协同效应促进了锂盐的解离。所制备的SPE在30℃时展现出1.49 × 10^-4 S cm^-1的离子导电性和0.59的锂离子迁移数。这些SPEs在Li/Li对称电池中能够稳定运行超过2100小时，并且在锂/磷酸铁锂（Li/LiFePO₄）全电池中经过100个循环后，仍能以98.9%的平均库仑效率提供135.4 mAh g^-1的显著容量。此外，使用这些SPEs的锂/镍钴锰氧化物（Li/LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂）全电池在0.5 C的电流密度下运行超过200个循环后，展示了140.5 mAh g^-1的容量和99.6%的卓越容量保持率。这些结果证明了通过表面工程化的MXene和增塑剂SN的结合，可以显著提升SPEs的性能，为制造高性能的固态锂金属电池提供了新的思路。 
 
Fig 1. a) 通过硅烷偶联剂水解将甲氧基聚乙烯 glycol (mPEG) 接枝到MXene表面的示意图，以及制备基于MXene的固态聚合物电解质的过程。b) MXene纳米片的SEM图像。c) MP的SEM图像。d) MXene和MP分散在DMF中的Tyndall效应。e) Ti3AlC2、MXene和MP的XRD图谱。f) MXene和MP的XPS总谱。g) MXene和MP的TGA曲线。
 
 
Fig 2. a) PH膜的数字图像。b) PH-Li SPE的数字图像。c) PH-Li-SN−2MP SPE的数字图像。d) PH-Li-SN−2MP SPE的数字图像。e) PH-Li SPE的SEM图像。f) PH-Li-SN−2MP SPE的SEM图像。g) 纯PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的XRD图谱。h) 纯PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的FTIR图谱。i) 纯PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的应力-应变曲线。j) 纯PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的TGA曲线。k) 纯PH、PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的DSC曲线。l) PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的火焰测试图片。
 


Fig 3. a) SS/PH-Li-SN−2MP/SS电池在不同温度下的Nyquist图。b) PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的离子电导率Arrhenius图。c) PH-Li-SN−2MP电池在10 mV极化下的极化曲线。d) PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE的线性扫描伏安曲线。e) Li/PH-Li/Li和Li/PH-Li-SN−2MP/Li电池在不同电流密度下的恒流循环曲线。f) Li/PH-Li/Li和Li/PH-Li-SN−2MP/Li电池在0.5 mA cm⁻²下1小时的恒流循环曲线。g) Li/PH-Li/Li和Li/PH-Li-SN−2MP/Li电池在0.1 mA cm⁻²下1小时的恒流循环曲线。h) Li/PH-Li/Li和Li/PH-Li-SN−2MP/Li电池在0.2 mA cm⁻²下0.5小时的恒流循环曲线。
 
 
Fig 4. a) Li/PH-Li/Li电池中Li金属阳极表面的SEM图像。b,c) PH-Li SPE的Li⁺浓度和电势分布。d) Li/PH-Li-SN−2MP/Li电池中Li金属阳极表面的SEM图像。e,f) PH-Li-SN−2MP SPE的Li⁺浓度和电势分布。g) Li/PH-Li-SN−2MP/Li电池在100个循环后Li金属阳极上形成的固体电解质界面（SEI）层的成分分析。h) SEI层中Li, O, F, C, S, 和 N的原子百分比随Ar⁺溅射时间的变化。i) C 1s, j) F 1s核级区域的XPS图谱；相应的拟合曲线也已绘制。
 
 
Fig 5. a) PH-MXene和PH-MP界面的电子局域函数图。b) PH-MXene和PH-MP系统的界面结合能。c) MXene-Li⁺和MXene-TFSI⁻系统的吸附能。d) MP-Li⁺和MP-TFSI⁻系统的吸附能。e) 使用PH-Li和PH-Li-SN−2MP SPE进行剥离/沉积循环的示意图。
 

Fig 6. a) Li/PH-Li/LFP和Li/PH-Li-SN−2MP/LFP电池的倍率性能。b) Li/PH-Li-SN−2MP/LFP电池在不同倍率下的充放电曲线。c) Li/PH-Li/LFP和Li/PH-Li-SN−2MP/LFP电池在0.2 C下的循环性能。d) Li/PH-Li/LFP和Li/PH-Li-SN−2MP/LFP电池在0.5 C下的循环性能。e) Li/PH-Li-SN−2MP/LFP电池初始和50个循环后的EIS曲线。f) Li/PH-Li-SN−2MP/LFP全电池在0.5 C下50个循环后LFP阴极的C 1s核级区域的XPS图谱。
 
 
Fig 7. a) Li/PH-Li/NCM和Li/PH-Li-SN−2MP/NCM电池的倍率性能。b) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM电池在不同倍率下的充放电曲线。c) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM电池在0.5 C下的循环性能。d) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM电池在0.5 C下的充放电曲线。e) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM电池初始和50个循环后的EIS曲线。f) Li/PH-Li-SN−2MP/NCM全电池在0.5 C下50个循环后NCM阴极的C 1s的XPS图谱。
 
        相关研究工作由荷兰格罗宁根大学Giuseppe Portale课题组于2024年在线发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，MXene Surface Engineering Enabling High-Performance Solid-State Lithium Metal Batteries，原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202416040

转自《石墨烯研究》公众号