DOI:10.1016/j.jechem.2020.06.035

全固态电解质的利用被认为是增强锂金属电池安全性能的有效方法。但是，低离子电导率和较差的界面相容性极大地限制了全固态电池的发展。本文研究了一种复合电解质，该电解质结合了具有分层结构的电纺聚酰胺6（PA6）纳米纤维膜和聚环氧乙烷（PEO）聚合物。PA6纳米纤维膜的引入可以有效降低聚合物的结晶度，从而提高电解质的离子电导率。此外，研究发现在分层结构PA6膜中细支链纤维的存在使极性官能团（C=O和N-H键）完全暴露，这为锂离子的传输提供了足够的功能位点，有助于调节锂金属的均匀沉积。而且，分层结构可以增强电解质的机械强度（9.2 MPa），从而有效提高电池的安全性和循环稳定性。所制备的Li/Li对称电池可在0.3 mA cm-2和60℃下稳定循环1500h。本研究表明，所制备的电解质在下一代全固态锂金属电池中具有良好的应用前景。

图1.制备（a）分层结构T-PA6电纺纳米纤维膜和（b）全固态复合电解质的示意图。（c）集成的全固态LiFePO4/T-PA6-PEO/Li电池的示意图。

图2.（a）P-PA6纳米纤维膜、（b）T-PA6纳米纤维膜和（c）T-PA6-PEO复合电解质的SEM图。（d）P-PA6纳米纤维膜和（e）T-PA6纳米纤维膜的直径分布。

图3.全固态电解质的离子电导率和结晶性能。（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复合电解质的Arrhenius图。（c）PEO、P-PA6-PEO和T-PA6-PEO聚合物电解质（[EO]/[Li]=12/1）的Arrhenius图、（d）XRD图和（e）DSC曲线。

图4.（a）Celgard（左）、P-PA6-PEO电解质（中）和T-PA6-PEO电解质（右）分别在160℃加热1小时前后的光学照片。（b）PEO、P-PA6-PEO和T-PA6-PEO电解质的应力-应变曲线。（c）在60℃、不同存储时间下拍摄的含P-PA6-PEO和T-PA6-PEO电解质的Li/Li对称电池的阻抗图。（d）PEO、P-PA6-PEO和T-PA6-PEO电解质的LSV曲线。

图5.Li/Li对称电池的电化学性能。在60℃、外加电压为10 mV时，（a）Li/P-PA6-PEO/Li和（b）Li/T-PA6-PEO/Li对称电池的电流-时间曲线，插图：电池极化前后的交流阻抗图。（c）组装有P-PA6-PEO和T-PA6-PEO复合电解质的Li/Li对称电池的恒电流充电/放电电压曲线。（d）Li/P-PA6-PEO/Li和（e）Li/T-PA6-PEO/Li电池在60℃、0.3 mA cm-2下不同循环前后的EIS光谱。

图6.60℃时全固态电解质的电化学性能。（a）使用PEO、P-PA6-PEO和T-PA6-PEO电解质的LiFePO4/Li电池的速率性能。（b）LiFePO4/T-PA6-PEO/Li电池在不同速率下的充放电曲线。（c）LiFePO4/Li电池在0.5 C下的循环性能。（d）LiFePO4/Li电池在0.5 C下循环前后的阻抗曲线。（e）LiFePO4/Li电池在1 C下的循环性能。

图7.在0.5 C和60℃下经过100次循环后，从LiFePO4/Li电池获得的全固态电解质和锂金属负极的SEM图像。（a）T-PA6-PEO、（b）P-PA6-PEO和（c）PEO全固态电解质的表面形态。从（d）LiFePO4/T-PA6-PEO/Li、（e）LiFePO4/P-PA6-PEO/Li和（f）LiFePO4/PEO/Li电池获得的锂金属的表面形态。