Nature Materials历史性突破！固态电解质高离子导电率和安全性同时达到！

在重振高能量密度锂基电池的过程中，固态聚合物电解质(SPE)得到了大量的关注。虽然锂离子电池因其相对较高的比能量和功率密度在储能领域发挥着重要的作用，但它们正接近理论极限(~ 400 wh kg⁻¹)。为了提高锂基电池的容量，研究人员主要关注于新的电极材料。在阴极方面，锂空气电池和锂硫电池代表了领先的前沿领域。在阳极上，锂金属可以取代石墨，使阳极能量密度提高约10倍。然而，电极的进步需要一种电解质来阻止长期充放电循环过程中的不可逆反应和枝晶生长。为了缓解这些问题，SPE不仅提供了机械刚性来阻止枝晶，而且比液体电解质更安全。

以前的研究人员已经开发了许多基于ILs的凝胶电解质，将离子液体（ILs）的不可燃性与机械支持基质结合起来。这些电解质要么由含有大量IL的聚合物基质组成，要么在SiO₂和TiO₂等无机基质中嵌入IL。这些凝胶在高能量密度锂电池中的潜在应用已经得到了充分的探索。但是这些凝胶电解质只有在掺有机电解液时才具有实际价值的电流，这种方法虽然提高了导电性，但引入了挥发性液体，降低了在过热和火灾下的安全性。

Nature Materials历史性突破！固态电解质高离子导电率和安全性同时达到！

弗吉尼亚理工大学Louis A. Madsen（通讯作者）Ying Wang（一作）在Nature Materials上发布聚合物固态电解质的最新成果，作者描述了一种不含挥发性溶剂的固体分子离子复合(MIC)电解质，它基于一个极端刚性的双螺旋磺酸芳族聚酰胺与离子液体(IL, C₃mpyrFSI)和锂盐（LiFSI）结合，可以通过改变聚合物含量、IL类型、金属盐类型和负载来广泛地调整MIC性能。MICs代表了一个模块化材料平台，具有解决电解材料中一系列问题的潜力。

这种高强度(200 MPa)和非易燃固体电解质具有优异的Li⁺电导率(1 mS cm⁻¹，在25°C时)和电化学稳定性(5.6 V vs Li|Li⁺)，能够抑制枝晶生长，表现出较低的界面电阻(32 Ω cm²)和过电势（在Li对称电池循环中电流1 mA cm^-2，电势≤120 mV）。

非均相盐掺杂过程改变了局部有序的聚合物-离子组装，使其包含有缺陷的LiFSI和LiBF₄纳米晶体的晶粒间网络，大幅增强Li⁺传导。这种模块化材料制造平台将陶瓷类导体的快速传输与聚合物电解质的优越灵活性结合起来，为安全、高能量密度的能量存储和转换应用提供了前景。

图文详情

图1. LiMICs的合成过程

锂负载MIC (LiMIC)的制作过程需要两个步骤:(1)初始聚合物- IL网络的形成（RMIC），随后是(2)ILE离子交换，实现高Li⁺负载。如图1a所示，基于磺化芳香聚酰胺，PBDT和离子液体C2mimBF4的界面离子交换过程，得到了原始的MIC (RMIC)，PBDT为水相，在浓度>2wt%时形成高度有序的溶致向列相液晶(LC)相。局部平行排列的带电PBDT棒作为组装模板，不仅提供机械完整性，而且赋予纳米级结构。从图2的XRD可以看出液晶有序排列结构的形成。

图2. RMIC和LiMICs的X射线衍射谱

图3. RMICs和LiMICs.的化学鉴定、扩散系数、活化能和输运机制

图4. MICs中的离子电导率、活化能、Li⁺转移数、电化学窗口、Li对称电池循环性能和界面电荷转移电阻

图5. RMICs和LiMICs热性能与机械性能

图6. 使用LiMICs的Li|Li对称电池在室温下的循环曲线

文献信息

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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