基于凝胶支架和离子液体的集成离子凝胶电解质膜（IGEMs）因其广泛的加工兼容性、不易燃性以及良好的热和电化学特性而引起了广泛的关注。然而，缺乏可同时实现IGEM的高机械强度和锂离子可传输性的功能性支架限制了电池的功率和安全性。
鉴于此，华中科技大学胡先罗教授报道了一种具有高锂离子导电性和出色热稳定性的特定IGEM，它包括电纺聚离子液体（PIL）聚（二烯丙基二甲基铵）双（三氟甲磺酰基）亚胺（PDADMATFSI）纳米纤维和交联聚（2,2,2-甲基丙烯酸三氟乙酯）（PTFEMA）。研究表明，带正电的PIL和PTFEMA上具有强电负性的官能团可通过调节IGEM内的锂离子环境，同时有助于形成快速结构的锂离子传输模式。此外，基于制备的IGEM，Li||Li对称电池和Li||LiFePO4全电池在0至90°C的宽温度范围内表现出优异的倍率性能和循环稳定性。相关成果以题为“Monolithic Task-Specific Ionogel Electrolyte Membrane Enables High-Performance Solid-State Lithium-Metal Batteries in Wide Temperature Range”发表在在《AFM》上。
IGEM的制备及表征
IGEM的制备过程包括两个主要步骤：1) 将PDADMATFSI基PIL静电纺丝成纳米纤维(PIL-NF); 2)通过原位紫外线诱导的TFEMA的交联反应将Li0.1(Pyr12O1)0.9TFSI离子液体电解质（Li-IL）固定在自支撑PIL-NF膜内。拉伸应变-应力、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、热尺寸稳定性和点火测试的实验数据表明IGEM具有机械稳定性（断裂应力高达1.4 MPa），热稳定（379°C的高分解温度和160°C时无明显的热收缩），并且不易燃。因此，预计IGEM的应用可以显著提高锂金属电池的安全性并拓宽其运行温度范围。
图1 IGEM的结构和组成示意图以及与之前报道的离子凝胶电解质的比较
图2 PIL-NF和IGEM的形态和化学成分表征
IGEM的电化学性质
IGEM在25 °C和0 °C 下分别表现出0.82 mS cm-1和0.20 mS cm-1的高离子电导率。值得注意的是，PIL-NF和PTFEMA中IL的凝胶化导致锂离子转移数（𝑡Li+）从0.08 (Li-IL)急剧增加到0.24 (IGEM)。𝑡Li+的急剧增加，可提升IGEM的Li+电导率(𝜎Li+)，进而显著降低循环过程中锂电池的浓差极化并增强功率能力。此外，IGEM在25°C下表现出高达5.5 V的高氧化稳定性，可与固态锂金属电池兼容，并在90°C下高达5.0 V，这意味着其潜在的高温电池可用性。
图3 IGEM的电化学性质
锂离子溶剂化结构研究
这项工作中PIL-NF/Li-IL的拉曼光谱提供了对锂离子溶剂化结构的新见解。PIL通过带正电的PDADMA+和TFSI-之间的离子-离子相互作用可阻止TFSI-与Li+配位，从而获得了降低的锂配位数x。此外，TFEMA中的负电性官能团-CH2CF3能够平衡离子-偶极相互作用和选择性锚定TFSI-，从而有效提高TFEMA基离子凝胶中的离子电导率和阳离子转移数。Li+传输主要通过第一配位壳中的TFSI-交换发生，这被称为结构扩散，通常在浓缩的IL基电解质中观察到。这种传输机制与载体机制相比，其Li+传输速度相对较快。PIL或PTFEMA的引入可以显著降低第一个配位壳中的TFSI-数，并且与PTFEMA相比，带正电荷的PIL骨架与TFSI-的相互作用更强。在Li-IL中，[Li(TFSI)2]-的主要Li+-TFSI-不仅尺寸大，而且带有净负电荷，使得Li+难以沿着正确的方向移动。这个过程被称为载体Li+传输，并解释了低𝑡Li+。当引入PIL-NF后，带高正电荷的PDADMA+骨架与TFSI-竞争协调，这大大降低了Li-xTFSI-复合物中的Li+配位数。因此，结构扩散在总锂离子传输中占主导。值得注意的是，IGEM中的交联网络PTFEMA将进一步提高离子复合物的解离度并选择性地锚定TFSI−。因此，通过将Li-IL固定在特定的支架内，成功实现了从缓慢的载体Li+传输到有效的结构性Li+扩散的优选转变。
图4 溶剂化结构的实验和理论研究
扣式电池性能
基于IGEM的Li||Li对称电池在0.2 mA cm-2下的2000小时内表现出0.21 V的低极化电压和显著的锂剥离/沉积可逆性。此外，值得注意到 IGEM在0到90°C的宽温度范围内具有出色的稳定性和高离子电导率。同时，Li|IGEM|Li电池在0°C和0.1 mA cm-2下实现了低于0.5 V的低极化电压。Li|IGEM|LiFePO4电池在室温和0.05、0.1 和 0.2 mA cm-2（相当于1C）下可分别实现160、153和138 mAh g-1的高放电容量。即使在0.3和0.4 mA cm-2的高电流密度下，放电容量也分别保持在98和50 mAh g-1。更令人印象深刻的是，IGEM可以在0°C和90°C的极端环境中维持Li||LiFePO4电池的可靠性和耐用性。当在0°C下以0.02 mA cm-2循环时，循环50次中实现了86 mAh g-1的稳定放电容量和0.27 V的低极化。当工作温度升高到90 °C时，由于高温下离子电导率升高，极化电压在0.1 mA cm−2时显著降低至0.08 V，并提供156 mAh g-1的高放电容量。
图5 Li||Li对称电池和Li||LiFePO4电池性能
软包电池性能
采用具有高质量负载（11.5 mg cm-2对应于≈2 mAh cm-2）正极的Li||LiFePO4软包电池在0.2 mA cm-2下可以获得具有0.27 V轻微极化的稳定电压平台。活化在3次可提供1.3 mAh cm-2的比面容量，占理论面积容量的65%。进一步两个串联的Li|IGEM|LiFePO4软包电池可以提供6.78 V的高输出电压，能够在宽温度范围内（例如≈2.3 °C的冰水和≈82.0 °C高温油浴）为智能手表持续充电。
图6 软包电池性能
小结：这项工作证明，通过设计具有特定规则的混合支架，可以在独特的IGEM中实现快速结构的Li+传输。包含PDADMATFSI PIL纳米纤维和交联PTFEMA的半互穿网络的协同作用促进了从载体到结构离子传输模式的理想转变。对Li+传输机制的详细研究表明，PIL骨架上带正电的PDADMA+和PTFEMA上的强电负性-CH2CF3基团可通过调节离子-离子和离子-偶极子相互作用，同时赋予 Li+环境的定制设计。结果，Li+迁移率的提高导致𝑡Li+和Li+的电导率大大增加。结果，这种高Li+导电性和热稳定性的IGEM可以在0到90°C的宽温度范围内显著提高Li||LiFePO4电池的倍率性能和循环稳定性。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202110653