近日，瑞士 保罗·谢勒研究所Emiliana Fabbri教授在Energy & Environmental Materials上发表题为“Time-Resolved Oxidation State Changes Are Key to Elucidating the Bifunctionality of Perovskite Catalysts for Oxygen Evolution and Reduction”的研究型论文。
1. 成功开发了一种化学和电化学稳定的PPC离子导电聚合物，作为常用的涂层或缓冲材料的替代品，包括无机材料（铌酸锂和氧化锆）、聚合物橡胶（NBR和SBR）和PEO离子导电聚合物。
2. 作者证实了PEO对阴极的LPSCl的反应活性，阐述了其与硫化物基ISEs的高反应活性和活性物质表面钝化层的氧化。PPC-ICP可以有效地保护电极材料免受这种副反应的影响
3. PPC-ICP利用其灵活性，填补了固体界面之间的空白，建立了离子输运通道，并可以适应阴极材料在充放电过程中的体积变化。
锂离子电池（LIBs）近年来已从小型电子设备应用到大型运输电动汽车，其安全性和高性能受到越来越多的要求。然而，商业化实验室中的液体电解质由于其热稳定性较低，不能满足这些需求。液体电解质可能通过增加爆炸和点火的严重程度来影响lib的安全性。因此，硫化物基无机固体电解质（ISEs）可能作为其与液体电解质相当的高离子电导率而成为下一代固体电解质的安全材料。然而，硫化物基的ISEs尽管具有高离子电导率，但仍面临许多挑战。它们的低化学和电化学稳定性阻碍了它们获得最大性能的能力。[硫化物基的ISEs在环境条件下不稳定，容易与水分反应，释放出有毒和高挥发性的硫化氢气体。因此，电池电池的电解质处理和组装应在严格控制的气氛中进行，这增加了电池过程的复杂性和成本。硫化物基ISEs的固态性质会导致与电极活性材料的接触不足，并在界面中引起显著的电阻。此外，由于固体电池在充放电循环过程中体积的变化，活性物质可以从固体电解质中分层。由于硫化物基ISEs的化学和电化学不稳定性，其他阴极成分也容易发生副反应。这些副反应产生的副产物阻碍电荷转移，进而增加细胞的内阻。因此，应保护阴极组分，避免与硫化物电解质的副反应，同时抑制硫化物基离子电解质的反应性，以提高硫化物基固态电池的寿命和稳定性。
铌酸锂和氧化锆涂层材料已被用于保护阴极活性材料。然而，这些无机涂层材料由于刚性，往往不能在活性材料上实现均匀的涂层，导致硫化物基ISE分解。Morino和Kanada使用LiNbO3，但观察到活性物质周围硫化物基ISEs的氧化。此外，在充放电过程中，活性材料的体积变化破坏了无机涂层材料，导致界面中形成间隙和高电阻。相比之下，在电池操作过程中，阴极材料的重复体积变化不会打破由软性和柔性聚合物组成的保护层。弹性橡胶聚合物如丁腈（NBR）和苯乙烯丁二烯橡胶（SBR）由于其高弹性性能而被用作缓冲层，但其缺乏离子导电性导致细胞的比容量较低。为了缓解这一问题，作者尝试使用聚合物电解质，如聚乙烯氧化物（PEO）作为硫化物基固态电池。
近日，韩国化学技术研究所Dong Wook Kim教授团队在Energy & Environmental Materials上发表了题“Incorporation of Ionic Conductive Polymers into Sulfide Electrolyte-Based Solid-State Batteries to Enhance Electrochemical Stability and Cycle Life”的研究论文。作者采用了具有高稳定性和灵活性的离子导电聚合物，通过保护阴极材料和补偿循环过程中的体积变化的方式，来提高硫化物基固态电池的长期循环稳定性。采用聚（碳酸丙烯）基离子导电聚合物（PPC-ICP）作为保护层材料，并将其与聚（环氧乙烷）基离子导电聚合物（PEO-ICP）进行比较。利用电化学阻抗谱（EIS）和XPS，评价了硫化物基ISEs、Li6PS5Cl（LPSCl）聚合物的电化学稳定性。PEO基聚合物在与硫化物基ISEs接触时电化学性能不稳定。当将PPC-ICP涂在阴极表面，离子导电聚合物在含有硫化物基ISEs的阴极中表现出良好的化学/电化学稳定性，提高了基于硫化物电解质的固态电池的循环性。
图1. a)含硫化物电解质（LPSCl）的阴极中副反应和空隙的演化，b)通过在阴极中加入离子导电聚合物（ICP）来抑制副反应和填充空隙。中间的示意图显示了由锂/锂阳极、硫化物电解质层和阴极层组成的测试电池的内部结构。
图2. LSV测量前后对原始LPSCl、LPSCP和PPCP-LPSCP进行XPS分析。a) S 2p和b) P 2p光谱。
Juhyoung Kim, Woonghee Choi, Seong-Ju Hwang*, and Dong Wook Kim*, Incorporation of Ionic Conductive Polymers into Sulfide Electrolyte-Based Solid-State Batteries to Enhance Electrochemical Stability and Cycle Life. Energy Environ. Mater. 2024. DOI: 10.1002/eem2.12776
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12776
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(简称EEM，中文名：能源与环境材料)是由郑州大学出版的国内外公开发行的英文期刊，主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发，促进人类社会可持续健康发展。
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