固態(tài)鋰金屬電池具有高能量密度與高安全性特征，符合新一代儲能設(shè)備發(fā)展需求。固態(tài)聚合物電解質(zhì)具備高電化學(xué)穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性、易于加工等優(yōu)勢，被認(rèn)為是發(fā)展固態(tài)鋰金屬電池的重要材料。然而，在室溫?zé)o塑化劑條件下，鋰鹽-聚合物（如聚環(huán)氧乙烷，PEO）共混的傳統(tǒng)電解質(zhì)體系仍存在鋰離子遷移數(shù)低、鋰離子電導(dǎo)率不足的瓶頸，導(dǎo)致電池在運行過程中容易發(fā)生極化，帶來了鋰枝晶生長、循環(huán)壽命短等一系列問題。
三十多年前，C.A.Angell等人提出了利用高鹽濃度增加電荷載流子數(shù)量進(jìn)而促進(jìn)離子傳導(dǎo)的策略。近年來，該策略在水性體系（如"鹽包水"電解質(zhì)）和有機(jī)溶劑體系（如超高濃度電解質(zhì)）中得到長足發(fā)展，但聚合物體系的相關(guān)進(jìn)展卻明顯滯后。在高鹽濃度條件下，增強(qiáng)的離子間相互作用通常會限制鋰離子的解離和傳輸。雖然，通過設(shè)計小尺寸溶劑化鞘層或引入高熵溶劑分子等方式，緩解了液態(tài)電解質(zhì)體系中離子聚集帶來的負(fù)面影響，但該難題在固態(tài)聚合物電解質(zhì)體系中尚未得到解決。
最近，昆山杜克大學(xué)林欣蓉與復(fù)旦大學(xué)陳茂課題組合作，基于團(tuán)隊前期發(fā)展的光催化可控共聚體系，設(shè)計合成了全新結(jié)構(gòu)的磺酰亞胺陰離子型含氟聚合物，提出了“鹽包單離子聚合物電解質(zhì)（SIP-in-salt）”的新思路。該工作利用“單離子側(cè)鏈-醚側(cè)鏈”交替序列聚合物，以及聚合物與鋰鹽的相似陰離子片段，在鹽濃度閾值范圍實現(xiàn)了SIP-in-salt電解質(zhì)中鋰離子均勻、連續(xù)分布，形成了滲透聚集離子簇（p-AGGs），構(gòu)建了高效的鋰離子傳輸通道；诖，電解質(zhì)材料達(dá)到了3.9 × 10-5 S·cm-1的室溫鋰離子電導(dǎo)率、鋰離子遷移數(shù)接近0.9，初步實現(xiàn)了室溫條件下的鋰剝離/沉積循環(huán)、鋰||磷酸鐵鋰和鋰||鎳鈷錳酸鋰電池充放電循環(huán)。
圖1.鋰離子分布與傳輸示意圖
本研究通過"SIP-in-salt"（鹽中聚合物溶劑化）電解質(zhì)策略調(diào)控離子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了鋰離子傳輸機(jī)制從載體運輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)擴(kuò)散的轉(zhuǎn)變，該研究成果為解決離子溶劑化與離子傳導(dǎo)之間相互制約的挑戰(zhàn)提供了新思路，有望推動固態(tài)電池的實際應(yīng)用。該工作以“Single-ion polymer-in-salt electrolytes enabling percolating ionic nanoaggregates for ambient-temperature solid-state batteries”為題發(fā)表在《美國化學(xué)會雜志》（Journal of the American Chemical Society）。昆山杜克（Duke Kunshan）大學(xué)林欣蓉研究員與復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系陳茂教授為共同通訊作者，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系碩士研究生王懷姣為文章第一作者。作者特別感謝國家自然科學(xué)基金委、復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程全國重點實驗室、蘇州市科技局的大力支持。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c01574
