第一作者：彭红志
通讯作者：张海涛
单位：西南交通大学
背景介绍
锂金属电池具有高理论比容量和低电化学电位，是下一代能源存储技术的首选。但锂金属电池目前仍然面临着诸多挑战。在充放电过程中锂负极的体积膨胀，以及锂枝晶肆意生长导致的电池短路、易燃，甚至是爆炸等安全问题。因此，开发一种能够抑制锂枝晶生长、具有高安全性的超稳定LMBs至关重要。采用固态电解质（SSEs）替代易燃电解液是提高LMBs安全性的有效途径。相较于无机电解质，聚合物固态电解质（PSSEs）具有更高的灵活性，能够适应锂金属负极的体积膨胀。但PSSEs的机械强度还无法有效抑制锂枝晶的生长和穿破，且在充放电过程中，锂枝晶更容易渗透到质地柔软的PSSEs中，最终导致电池失效。因此，开发新型的电解质材料以有效抑制锂枝晶生长，对于提高LMBs的安全性和稳定性具有重要意义。
文章信息
基于以上背景，西南交通大学张海涛教授课题组开发了一种压电型聚丙烯腈(PAN)基准固态电解质(PQSSEs)来提高锂金属电池的稳定性和安全性。该团队通过电纺丝技术制备的PAN@BTO 准固态电解质，内掺杂压电材料BaTiO3，能有效调节锂离子的均匀沉积从而抑制锂枝晶的生长。实验结果表明，采用该电解质的Li-Li对称电池在0.15 mA/cm2的电流密度下稳定循环2000小时；LiFePO4|PAN@BTO|Li全电池在0.5C的倍率下，循环600圈后容量保持率为78%。此外，该电池在受到高速冲击（2 Hz, ~30 kPa）的极端条件下仍能正常工作，显示出极高的安全性。该团队通过构建原位监测系统揭示了压电效应抑制锂枝晶生长的机制。这项研究为设计具有高稳定性和高安全性的锂金属电池提供了新策略，有望推动下一代高能电池技术的发展。
图1.PAN@BTO电解质中压电效应的模型图
图2.PAN@BTO电解质膜的制备及微观结构
图3. PAN@BTO电解质膜的压电和机械性能
图4. 压电聚合物PQSSEs及基于该膜锂对称电池的电化学性能
图5. LFP|PAN@BTO|Li电池的电化学性能和机械性能
图6. 稳定LMB的压电效应机理
总结和展望
本文开发了一种新型的压电PAN@BTO准固态电解质，以实现高稳定和高安全的锂金属电池。通过电纺丝技术制备了PQSSEs，利用压电材料BaTiO3产生的压电效应在锂金属表面实现了均匀的锂离子沉积，有效抑制了锂枝晶的生长，具有优异的电化学性能。同时文章还揭示了压电效应在抑制锂枝晶生长中的作用机制，发现在阳极附近产生正电荷有助于稳定电池界面。综上，该研究为开发新型压电聚合物电解质和提高锂金属电池性能提供了新的方向和策略。
参考文献
Hongzhi Peng, Zhong Xu, Yunjie Zhou, Junfeng Huang, Tao Yang, Jieling Zhang, Yong Ao, Yanting Xie, Hanyu He, Xiong Zhang, Weiqing Yang, Haitao Zhang, Extremely stable Li-metal battery enabled by piezoelectric polyacrylonitrile quasi-solid-state electrolytes, Journal of Materiomics, Volume 10, Issue 1, 2024, Pages 134-144, ISSN 2352-8478, https://doi.org/10.1016/j.jmat.2023.04.011.
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