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江南大學劉天西/陳蘇莉、河南大學田志紅 Angew(Hot Paper): 超分子拓展的聚合物電解質(zhì)助力高能全固態(tài)鋰金屬電池
2025-03-02  來源:高分子科技

  采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)以開發(fā)固態(tài)鋰金屬電池(ASSLMBs,是獲得兼具高能量密度與高安全性的儲能技術(shù)的有效途徑。其中,由聚合物基體與鋰鹽組成的固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPEs)作為構(gòu)成ASSLMBs的核心部件,因其高柔性、易加工性和良好的電極/電解質(zhì)接觸性而備受關(guān)注,但其鋰離子傳導率低、機械性能差的缺陷限制了ASSLMBs的實際應(yīng)用,且目前的改進策略難以實現(xiàn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)離子傳導與機械性能的同步提升。近日,江南大學劉天西/陳蘇莉團隊聯(lián)合河南大學田志紅教授和馬普所Markus Antonietti教授,創(chuàng)新性地通過“微相分離”策略開發(fā)了一種超分子拓展的固態(tài)聚合物電解質(zhì)(PCPE)體系,成功攻克了傳統(tǒng)SPEs中離子傳導與機械性能難以兼顧的瓶頸問題。



  本研究設(shè)計合成了一種多臂含硼低聚物(MBO)作為多功能固體增塑劑,隨后將其引入聚環(huán)氧乙烷(PEO)-鋰鹽基體,在半結(jié)晶PEO基質(zhì)相中形成了有利的微相分離。在這種PCPE具有豐富Lewis酸硼位點MBO與鋰鹽陰離子(TFSI?)通過酸堿相互作用誘導形成非晶態(tài)鹽簇組裝體,以實現(xiàn)快速的Li+滲透,顯著提升了Li+率。此外,MBO的多條線性聚乙二醇(MPEG)臂與PEO結(jié)構(gòu)高度相容,能夠誘導物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并通過優(yōu)化臂長調(diào)控PEO基質(zhì)的結(jié)晶相形態(tài),MBO中的MPEG臂長合適時,可同時提升電解質(zhì)的機械強度和楊氏模量。因此,所得PCPE體系能夠同時實現(xiàn)更快的鋰離子傳導和更高的機械性能。得益于此,基于PCPE Li/Li對稱電池表現(xiàn)出更高的界面穩(wěn)定性,循環(huán)壽命超過2600小時。同時,采用不同正極組裝的PCPE全固態(tài)電池展現(xiàn)出了出色的倍率性能和循環(huán)性能,且通過集成化電極設(shè)計和軟包電池驗證,其在匹配高負載正極(>12 mg cm?2的全固態(tài)電池中仍保持優(yōu)異性能。本研究通過微相分離策略構(gòu)建超分子拓展的聚合物電解質(zhì)以調(diào)控微相結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了SPEs結(jié)晶相與非晶的協(xié)同優(yōu)化,為克服 SPEs 在機械強度和離子傳導之間的矛盾引入了一種有效策略,SPEs全固態(tài)鋰金屬電池實際應(yīng)用提供了新視野


1. PCPE結(jié)構(gòu)設(shè)計及作用機制示意圖。


2. MBO的結(jié)構(gòu)表征與相互作用分析。


3. PCPE-x的物化性質(zhì)探究和優(yōu)化。


4. 離子傳輸機制研究。


5. 對稱電池界面穩(wěn)定機制研究。


6. 固態(tài)電池電化學性能評估。


  相關(guān)研究成果以“Mixing Functionality in Polymer Electrolytes: A New Horizon for Achieving High-Performance All-Solid-State Lithium Metal Batteries”為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 期刊上,并被選為Hot Paper,江南大學化學與材料工程學院碩士研究生任玉鳳為論文第一作者,江南大學為第一通訊單位。


  論文信息Yufeng Ren, Suli Chen,* Mateusz Odziomek, Junhong Guo, Pengwu Xu, Haijiao Xie, Zhihong Tian,* Markus Antonietti,* and Tianxi Liu*. Mixing Functionality in Polymer Electrolytes: A New Horizon for Achieving High-Performance All-Solid-State Lithium Metal Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202422169.

  論文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202422169

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(責任編輯:xu)
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