余桂华教授，最新Angew！

固态聚合物电解质中的电子传导通常是不期望的，这会导致电子渗漏或能量损失，并且电极-电解质界面处的电子传导域会导致电解质的连续分解和短路问题。然而，这项工作证明：在绝缘基体中，在适当控制下某些方面的导电域也可以对电解质性能产生积极影响。

这里，德州大学奥斯汀分校余桂华教授等人评估了固态聚合物电解质体系中电子导电域的局限性和益处，并讨论了通过致密的局部电场分布、增强的体介电性质和电荷转移来改善电解质物理化学性质的方法。通过在常规固体聚合物电解质中有意引入导电域，可以实现稳定的循环寿命、低过电位和有希望的全电池性能。

图文解读

图1 导电填料对SPE的影响

如图1所示，当在固态聚合物电解质（SPE）基体中加入过多的导电粒子作为填料时（图1a），导电粒子相互连接形成电子通路的可能性会增加，从而导致局部短路。根据渗流理论，这个临界浓度与导电域的大小和形状有关。为了探究SPE中碳纳米颗粒填料的电子渗漏阈值，作者进行了一种搜索上限的检查。作者在聚合物电解质中加入均匀分散碳颗粒的填充颗粒后，采用超声处理步骤，形成导电域的颗粒聚集的风险在很大程度上被限制。

图2 确定碳填充SPE系统的电子渗漏阈值

由于导电域在电解质中分散良好，在施加外部电场的情况下，导电域中的电子和空穴将集中在施加电场的相对侧。在这种情况下，虽然聚合物电解质本质上不是介电的，但极化导电域有助于增加体介电性质，增强盐的解离，以获得更好的电荷转移（图2a）。

通过电化学阻抗谱（EIS）对不锈钢集流体的测试，可以注意到第一个代表体相电解质电阻随着碳量的增加而降低，即使是1wt%的碳也足以比硅纳米颗粒填料更能增强电荷转移（图2b）。图2c所示的离子和电子电导率比较清楚地表明了采用碳填料比硅填料的优势，以及添加这种填料的上限。

图3 电池性能测试

为了验证带碳填料的SPE是一种可行的电解质，作者进行了对称电池和全电池的电化学性能测试。如图3所示，在0.1 mA/cm²电流密度和60°C条件下，只有1 wt%碳填料（标记为1 wt % SP）的SPE的锂金属对称电池保持稳定长循环约10000个循环没有短路且保持低水平的过电位。图3b中选择的长循环周期表明，在这10000个循环中，过电位在40 mV到70 mV之间。

为了验证电解质也能够实际使用，作者用一个常规的LiFePO₄正极对锂金属进行了全电池测量。如图3d-e所示，含2 wt%碳填料的SPE的全电池具有良好的倍率性能和稳定性，具有良好的可逆性，库仑效率接近100%。从这些电池性能表征可以看出，碳纳米颗粒作为一种聚合物电解质填料具有良好的性能，几乎可以与60°C下的液体有机电解质相媲美。

图4 机制分析

为了进一步了解驱动碳填料电解质优越性能的机制，作者进行了手动设置参数的有限元模拟。图4e-f的模拟结果表明，在相同的外加电流下，SPE中分散良好的粒子比聚集的粒子更能导致电解质内发生更显著的局部电位变化。重叠的双电层区域作为均匀的场区域，可以很大程度上增强电荷迁移，这表明仅在电极表面具有均匀分布的电位代替传统的双电层结构，并且在体电解质内离子迁移扩散相对较慢。

综上所述，有意引入导电碳填料可以很大程度上提高锂离子固体聚合物电解质的稳定性和电导率，这为固态电解质中导电域的影响提供了新的认识。本研究为更好地设计固态电解质系统提供了新的见解。

文献信息

Guo, X., Ju, Z., Qian, X., Liu, Y., Xu, X. and Yu, G. (2022), A Stable Solid Polymer Electrolyte for Lithium Metal Battery with Electronically Conductive Fillers. Angew. Chem. Int. Ed.. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1002/anie.202217538

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