DOI: 10.1039/C9TA12495K
本文報道了陶瓷納米纖維與聚合物之間的協同作用，以及在固體陶瓷/聚合物復合電解質中沿納米纖維/聚合物界面增強的界面鋰離子輸運，將其中的三維（3D）電紡鋁摻雜Li0.33La0.557TiO3（LLTO）納米纖維網絡嵌入到聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）基質中。納米纖維與聚合物基質之間發生強烈的化學相互作用。將陶瓷納米纖維添加到聚合物基質中會導致PVDF鏈脫氟化氫，-CH2部分去質子化以及聚合物基質的非晶化。固體核磁共振（NMR）光譜表明，鋰離子通過三種途徑進行輸運：（i）聚合物內輸運；（ii）納米纖維內輸運；（iii）聚合物/納米纖維界面輸運。此外，在將納米纖維嵌入聚合物基質之前，磷酸鋰已被涂覆在LLTO納米纖維表面。LLTO/聚合物界面處磷酸鋰的存在進一步增強了納米纖維與聚合物之間的化學相互作用，促進了鋰離子沿聚合物/納米纖維界面的輸運。這進而提高了納米纖維/聚合物復合材料的離子導電性和電化學循環穩定性。結果表明，柔性LLTO/Li3PO4/聚合物復合電解質膜在室溫下的離子電導率為5.1×10-4 S/cm，相對于Li/Li+的電化學穩定窗口為5.0 V。當持續時間超過800 h時，對稱鋰|電解質|鋰半電池在0.5 mA/cm2的恒電流密度下顯示出50 mV的低過電位。此外，將復合電解質夾在鋰金屬負極和LiFePO4基正極之間，構成了一個全電池。這種全固態鋰金屬電池具有優異的循環性能和倍率性能。
圖1.（a）900℃煅燒后的LLATO初紡PVP前驅體納米纖維，（b）LLATO納米纖維的SEM圖像，（c）LLATO納米纖維的TEM圖像，（d）初紡PVP前驅體納米纖維的直徑分布，（e）900℃煅燒后LLATO納米纖維的直徑分布，（f）LLTO和LLATO納米纖維的XRD圖譜。
圖2.（a）柔性和可彎曲PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO膜的照片，（b）PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO膜表面的SEM圖像，（c）PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO膜的橫截面SEM圖像，（d）LLATO納米纖維的TEM圖像，（e）TEM，插圖是標記框區域的放大圖，（f）Li3PO4 LLATO納米纖維的HRTEM圖像，（g）PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO復合電解質，（h）PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4復合電解質的界面。
圖3.（a）具有不同含量的LLATO納米纖維的復合電解質的EIS圖。（b）復合電解質的Arrhenius曲線。（c）階躍電位為10 mV時，Li/PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li中的計時電流曲線。（d）具有不同含量的LLATO納米纖維的PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO和PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4樣品的鋰轉移數。
圖4.（a）復合電解質膜的LSV曲線，顯示電化學穩定性窗口，（b）Li|PVDF-HFP/LiTFSI|Li、（d）Li|PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO|Li，以及（f）Li|PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4|Li在0.5 mA/cm2 的電流密度下的電壓曲線。（c）Li|PVDF-HFP/LiTFSI|Li、（e）Li|PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO|Li和（g）Li|PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4|Li的充放電循環試驗后復合電解質的俯視SEM圖像。
圖5.（a）Li|PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4|LFP紐扣型電池在0.5 C和25℃下的循環性能。（b）在0.1C、0.2C、0.5C、1C和2C時的倍率性能。（c）Li|PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4|LFP紐扣電池在不同速率下的充電/放電曲線。
圖6.（a）純PVDF-LiTFSI、PVDF-LiTFSI/LLATO和基于PVDF-LiTFSI/LLATO-Li3PO4納米纖維膜的XRD圖，（b）拉曼光譜，（c）、（d）FTIR光譜，（e）XPS C1s核心能級光譜和（f）13C NMR光譜。
圖7.固態NMR光譜。（a）PVDF-HFP/LiTFSI、原始LLATO、Li3PO4、PVDF-HFP/LiTFSI、PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO和PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4復合電解質的6Li NMR光譜，（b）電化學循環前后的PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO的6Li NMR光譜，（c）電化學循環前后的PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4的6Li NMR光譜，（d）電化學循環前后的PVDF-HFP/LiTFSI的6Li NMR光譜和。6Li NMR信號的峰分配和定量結果。（e）6Li循環后的PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO，（f）6Li循環后的PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4。（g）PVDF-HFP/LiTFSI、（h）PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO、（i）PVDF-HFP/LiTFSI/LLATO/Li3PO4中鋰離子途徑的示意圖。
微信二維碼
