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在重振高能量密度鋰基電池的過程中，固態聚合物電解質(SPE)得到了大量的關注。雖然鋰離子電池因其相對較高的比能量和功率密度在儲能領域發揮著重要的作用，但它們正接近理論極限(~ 400 wh kg^?1)。為了提高鋰基電池的容量，研究人員主要關注于新的電極材料。在陰極方面，鋰空氣電池和鋰硫電池代表了領先的前沿領域。在陽極上，鋰金屬可以取代石墨，使陽極能量密度提高約10倍。然而，電極的進步需要一種電解質來阻止長期充放電循環過程中的不可逆反應和枝晶生長。為了緩解這些問題，SPE不僅提供了機械剛性來阻止枝晶，而且比液體電解質更安全。

以前的研究人員已經開發了許多基于ILs的凝膠電解質，將離子液體（ILs）的不可燃性與機械支持基質結合起來。這些電解質要么由含有大量IL的聚合物基質組成，要么在SiO₂和TiO₂等無機基質中嵌入IL。這些凝膠在高能量密度鋰電池中的潛在應用已經得到了充分的探索。但是這些凝膠電解質只有在摻有機電解液時才具有實際價值的電流，這種方法雖然提高了導電性，但引入了揮發性液體，降低了在過熱和火災下的安全性。

Nature Materials歷史性突破！固態電解質高離子導電率和安全性同時達到！

弗吉尼亞理工大學Louis A. Madsen（通訊作者）Ying Wang（一作）在Nature Materials上發布聚合物固態電解質的最新成果，作者描述了一種不含揮發性溶劑的固體分子離子復合(MIC)電解質，它基于一個極端剛性的雙螺旋磺酸芳族聚酰胺與離子液體(IL, C₃mpyrFSI)和鋰鹽（LiFSI）結合，可以通過改變聚合物含量、IL類型、金屬鹽類型和負載來廣泛地調整MIC性能。MICs代表了一個模塊化材料平臺，具有解決電解材料中一系列問題的潛力。

這種高強度(200 MPa)和非易燃固體電解質具有優異的Li⁺電導率(1 mS cm^?1，在25°C時)和電化學穩定性(5.6 V vs Li|Li⁺)，能夠抑制枝晶生長，表現出較低的界面電阻(32 Ω cm²)和過電勢（在Li對稱電池循環中電流1 mA cm^-2，電勢≤120 mV）。

非均相鹽摻雜過程改變了局部有序的聚合物-離子組裝，使其包含有缺陷的LiFSI和LiBF₄納米晶體的晶粒間網絡，大幅增強Li⁺傳導。這種模塊化材料制造平臺將陶瓷類導體的快速傳輸與聚合物電解質的優越靈活性結合起來，為安全、高能量密度的能量存儲和轉換應用提供了前景。

圖文詳情

圖1. LiMICs的合成過程

鋰負載MIC (LiMIC)的制作過程需要兩個步驟:(1)初始聚合物- IL網絡的形成（RMIC），隨后是(2)ILE離子交換，實現高Li⁺負載。如圖1a所示，基于磺化芳香聚酰胺，PBDT和離子液體C2mimBF4的界面離子交換過程，得到了原始的MIC (RMIC)，PBDT為水相，在濃度>2wt%時形成高度有序的溶致向列相液晶(LC)相。局部平行排列的帶電PBDT棒作為組裝模板，不僅提供機械完整性，而且賦予納米級結構。從圖2的XRD可以看出液晶有序排列結構的形成。

圖2. RMIC和LiMICs的X射線衍射譜

圖3. RMICs和LiMICs.的化學鑒定、擴散系數、活化能和輸運機制

圖4. MICs中的離子電導率、活化能、Li⁺轉移數、電化學窗口、Li對稱電池循環性能和界面電荷轉移電阻

圖5. RMICs和LiMICs熱性能與機械性能

圖6. 使用LiMICs的Li|Li對稱電池在室溫下的循環曲線

文獻信息

Wang, Y., Zanelotti, C.J., Wang, X. et al. Solid-state rigid-rod polymer composite electrolytes with nanocrystalline lithium ion pathways. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-00995-4

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