第一作者：Yanfei Zhu, Zhoujie Lao, Mengtian Zhang

通訊作者：周光敏、侯廷政

通訊單位：清華大學深圳國際研究生院

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當采用高介電性溶劑如 N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)增塑時，固態聚合物電解質表現出增強的Li⁺電導率。然而，含DMF的電解質在固態電池中的應用受到陽極表面持續DMF降解和由此產生的不穩定固體電解質界面導致的循環壽命差的阻礙。

本論文提出了一種新型的局部溶劑固定聚合物電解質（LPE@Ni-DMF），用于長壽命鋰金屬電池。通過合理設計的Hofmann-DMF配位復合物，解決了傳統含DMF電解質在固態電池中循環壽命短的問題。該復合物通過在Hofmann框架上工程化DMF作為固定配體，構建了局部DMF富集界面，促進了通過配體輔助傳輸機制的Li⁺導電。

在室溫下實現了6.5 × 10^-4 S cm^-1的高離子導電性，并在Li || Li對稱電池中以0.1 mA cm^-2的電流密度穩定循環超過6000小時。當與硫化聚丙烯腈正極配對時，全電池展現出1000個循環的延長循環壽命。這項工作將促進具有高離子導電性和長循環壽命的實用聚合物基電解質的開發。

圖文導讀

圖1：配體交換過程和Ni-DMF的晶體結構，通過STXM成像技術分析檢測Ni-DMF，并使用DFT計算和XANES分析研究了配體交換過程中的局部結構變化。

圖2：分子動力學（MD）模擬揭示了Ni-DMF中Li⁺的傳輸機制。

圖3：LPE@Ni-DMF的物理化學性質和耐久性分析。

圖4：實驗研究和FEM模擬探討了LPE@Ni-DMF與Li金屬界面的穩定性。

圖5：使用LPE@Ni-DMF的Li || SPAN固態電池的性能。

總結展望

本研究提出的局部溶劑固定聚合物電解質設計，通過Ni-DMF添加劑的雙重功能，有效解決了含溶劑SPEs的穩定性問題，實現了在固態鋰電池（ssLSBs）中穩定的循環性能。

LPE@Ni-DMF不僅顯著提高了離子導電性，還在極端操作條件下展現了優異的性能。此外，通過實驗和模擬相結合的方法，深入理解了Li⁺傳輸機制和界面穩定性，為未來固態電池系統的發展提供了新的設計原則和研究基礎。

文獻信息

標題：A locally solvent-tethered polymer electrolyte for long-life lithium metal batteries

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48078-7