摘要
锂金属负极由于其具有高容量、电极电位低等特点，被研究人员寄予厚望，但是锂金属负极在主流的液态电解液中无法形成稳定的固体电解质界面（Solid Electrolyte Interphase, SEI）膜，同时充放电过程中锂金属负极容易形成锂枝晶，而聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）基固态电解质恰好具有力学性能好，与锂相容好等特点，能够作为锂金属电池的电解质。 本文采用 PVDF-HFP，N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI），经过工艺筛选，制备了能够适配锂金属负极的固态电解质。拉曼分析表明，DMF与LiTFSI能够形成Li[DMF]3TFSI，有利于Li+固相传质。优化的固态电解质中PVDF-HFP含量为 20 wt%，在该条件下制备的固态电解质室温离子电导率为0.59×10-4 S cm-1，组装的锂对称电池能够在 0.1 mA cm-2的电流密度下循环300 h 而不发生短路。通过第一性原理计算表明，DMF 加入使 PVDF-HFP 分子内氢键增强，TFSI-与PVDF-HFP分子间氢键减弱，降低聚合物的结晶度。 研究发现，丁二腈能够有效提高电解质的电导率，降低锂对称电池循环过程中的极化，但是会造成电解质拉伸强度下降，降低电池的循环次数。第一性原理计算表明，丁二腈的加入使 TFSI-与 PVDF-HFP 分子间氢键减弱，降低了聚合物的结晶度，有利于 Li+固相传输；并且使 Li原子在锂负极的吸附增强，有利于 Li原子沉积。 为了解决丁二腈所导致的电解质力学性能下降问题，实验筛选出了钽掺杂锂镧锆氧（LLZTO）作为无机填料加入电解质中，提高了电解质力学。拉曼分析表明，LLZTO的加入能够促进 LiTFSI的解离，使 Li+迁移数提高到 0.4，有利于提高倍率性能和循环稳定性， 用其组装的金属锂-磷酸铁锂全电池，室温下 1 C容量达到141 mAh g-1，0.2 C循环 300圈后容量保持率为 70%。 本文通过研究有机添加剂和无机填料对PVDF-HFP-LiTFSI固态电解质改性，提高了固体电解质的性能，并利用理论计算，揭示了DMF和丁二腈是通过减弱分子间氢键提升Li+的固相传输能力。
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