清华周光敏最新Nature子刊：解决含溶剂固态聚合电解质的稳定性难题！

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

通讯作者：周光敏、侯廷政

通讯单位：清华大学深圳国际研究生院

论文速览

当采用高介电性溶剂如 N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)增塑时，固态聚合物电解质表现出增强的Li⁺电导率。然而，含DMF的电解质在固态电池中的应用受到阳极表面持续DMF降解和由此产生的不稳定固体电解质界面导致的循环寿命差的阻碍。

本论文提出了一种新型的局部溶剂固定聚合物电解质（LPE@Ni-DMF），用于长寿命锂金属电池。通过合理设计的Hofmann-DMF配位复合物，解决了传统含DMF电解质在固态电池中循环寿命短的问题。该复合物通过在Hofmann框架上工程化DMF作为固定配体，构建了局部DMF富集界面，促进了通过配体辅助传输机制的Li⁺导电。

在室温下实现了6.5 × 10^-4 S cm^-1的高离子导电性，并在Li || Li对称电池中以0.1 mA cm^-2的电流密度稳定循环超过6000小时。当与硫化聚丙烯腈正极配对时，全电池展现出1000个循环的延长循环寿命。这项工作将促进具有高离子导电性和长循环寿命的实用聚合物基电解质的开发。

图文导读

图1：配体交换过程和Ni-DMF的晶体结构，通过STXM成像技术分析检测Ni-DMF，并使用DFT计算和XANES分析研究了配体交换过程中的局部结构变化。

图2：分子动力学（MD）模拟揭示了Ni-DMF中Li⁺的传输机制。

图3：LPE@Ni-DMF的物理化学性质和耐久性分析。

图4：实验研究和FEM模拟探讨了LPE@Ni-DMF与Li金属界面的稳定性。

图5：使用LPE@Ni-DMF的Li || SPAN固态电池的性能。

总结展望

本研究提出的局部溶剂固定聚合物电解质设计，通过Ni-DMF添加剂的双重功能，有效解决了含溶剂SPEs的稳定性问题，实现了在固态锂电池（ssLSBs）中稳定的循环性能。

LPE@Ni-DMF不仅显著提高了离子导电性，还在极端操作条件下展现了优异的性能。此外，通过实验和模拟相结合的方法，深入理解了Li⁺传输机制和界面稳定性，为未来固态电池系统的发展提供了新的设计原则和研究基础。

文献信息

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

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48078-7