DOI:10.1016/j.jechem.2020.06.035
全固態電解質的利用被認為是增強鋰金屬電池安全性能的有效方法。但是，低離子電導率和較差的界面相容性極大地限制了全固態電池的發展。本文研究了一種復合電解質，該電解質結合了具有分層結構的電紡聚酰胺6（PA6）納米纖維膜和聚環氧乙烷（PEO）聚合物。PA6納米纖維膜的引入可以有效降低聚合物的結晶度，從而提高電解質的離子電導率。此外，研究發現在分層結構PA6膜中細支鏈纖維的存在使極性官能團（C=O和N-H鍵）完全暴露，這為鋰離子的傳輸提供了足夠的功能位點，有助于調節鋰金屬的均勻沉積。而且，分層結構可以增強電解質的機械強度（9.2 MPa），從而有效提高電池的安全性和循環穩定性。所制備的Li/Li對稱電池可在0.3 mA cm-2和60℃下穩定循環1500h。本研究表明，所制備的電解質在下一代全固態鋰金屬電池中具有良好的應用前景。
圖1.制備（a）分層結構T-PA6電紡納米纖維膜和（b）全固態復合電解質的示意圖。（c）集成的全固態LiFePO4/T-PA6-PEO/Li電池的示意圖。
圖2.（a）P-PA6納米纖維膜、（b）T-PA6納米纖維膜和（c）T-PA6-PEO復合電解質的SEM圖。（d）P-PA6納米纖維膜和（e）T-PA6納米纖維膜的直徑分布。
圖3.全固態電解質的離子電導率和結晶性能。（a）具有不同[EO]/[Li]比（8:1、12:1、16:1、20:1）的P-PA6-PEO和（b）T-PA6-PEO復合電解質的Arrhenius圖。（c）PEO、P-PA6-PEO和T-PA6-PEO聚合物電解質（[EO]/[Li]=12/1）的Arrhenius圖、（d）XRD圖和（e）DSC曲線。
圖4.（a）Celgard（左）、P-PA6-PEO電解質（中）和T-PA6-PEO電解質（右）分別在160℃加熱1小時前后的光學照片。（b）PEO、P-PA6-PEO和T-PA6-PEO電解質的應力-應變曲線。（c）在60℃、不同存儲時間下拍攝的含P-PA6-PEO和T-PA6-PEO電解質的Li/Li對稱電池的阻抗圖。（d）PEO、P-PA6-PEO和T-PA6-PEO電解質的LSV曲線。
圖5.Li/Li對稱電池的電化學性能。在60℃、外加電壓為10 mV時，（a）Li/P-PA6-PEO/Li和（b）Li/T-PA6-PEO/Li對稱電池的電流-時間曲線，插圖：電池極化前后的交流阻抗圖。（c）組裝有P-PA6-PEO和T-PA6-PEO復合電解質的Li/Li對稱電池的恒電流充電/放電電壓曲線。（d）Li/P-PA6-PEO/Li和（e）Li/T-PA6-PEO/Li電池在60℃、0.3 mA cm-2下不同循環前后的EIS光譜。
圖6.60℃時全固態電解質的電化學性能。（a）使用PEO、P-PA6-PEO和T-PA6-PEO電解質的LiFePO4/Li電池的速率性能。（b）LiFePO4/T-PA6-PEO/Li電池在不同速率下的充放電曲線。（c）LiFePO4/Li電池在0.5 C下的循環性能。（d）LiFePO4/Li電池在0.5 C下循環前后的阻抗曲線。（e）LiFePO4/Li電池在1 C下的循環性能。
圖7.在0.5 C和60℃下經過100次循環后，從LiFePO4/Li電池獲得的全固態電解質和鋰金屬負極的SEM圖像。（a）T-PA6-PEO、（b）P-PA6-PEO和（c）PEO全固態電解質的表面形態。從（d）LiFePO4/T-PA6-PEO/Li、（e）LiFePO4/P-PA6-PEO/Li和（f）LiFePO4/PEO/Li電池獲得的鋰金屬的表面形態。
