近年來，鋰電池作為儲能器件在手機、筆記本電腦及電動汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。然而，傳統(tǒng)的鋰離子電池越來越接近其能量密度的極限，使用易燃有機電解液也使其安全性受到嚴峻的考驗。因而，亟需開發(fā)下一代兼具高能量密度和高安全性的電化學(xué)儲能器件。固態(tài)電池是采用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)的新型電化學(xué)儲能器件，其具有安全性能高和能量密度高的特點。目前，研究者們已經(jīng)開發(fā)了聚合物固態(tài)電解質(zhì)、無機固態(tài)電解質(zhì)及復(fù)合型固態(tài)電解質(zhì)等多種研究體系。其中，聚環(huán)氧乙烷（PEO）因其輕質(zhì)、易成膜以及與電極間良好的界面接觸等特點，被廣泛應(yīng)用于固態(tài)電解質(zhì)的研究。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進炭材料研究部新型電化學(xué)材料與器件團隊在聚環(huán)氧乙烷基高性能電解質(zhì)和固態(tài)電池方向取得進展，提高全固態(tài)聚合物鋰電池循環(huán)使用次數(shù)和穩(wěn)定性，并實現(xiàn)在室溫和低溫下（0°C）的優(yōu)異電化學(xué)性能。
多硫化鋰接枝的固態(tài)電解質(zhì)的制備過程
研究人員針對聚環(huán)氧乙烷基固態(tài)電解質(zhì)中鋰離子電導(dǎo)率和遷移數(shù)較低的問題，利用多硫化鋰的穿梭效應(yīng)，通過原位電化學(xué)還原聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯（PEGMA）與硫的共聚物，制備了-S4Li接枝的聚環(huán)氧乙烷固態(tài)電解質(zhì)，從而實現(xiàn)快速的鋰離子傳輸，并有效改善界面穩(wěn)定性，使得全固態(tài)聚合物鋰電池在50°C下，表現(xiàn)出高達1200圈的超高循環(huán)穩(wěn)定性。
針對聚環(huán)氧乙烷基固態(tài)電池需要在較高溫度（50-70°C）下使用，而在室溫及低溫下難以工作的問題，研究人員從鋰離子傳輸?shù)奈⒂^尺度出發(fā)，以有機小分子丁二腈（SN）替代常規(guī)的無機填料，通過調(diào)控丁二腈和環(huán)氧乙烷（EO）的摩爾比，在有效抑制聚環(huán)氧乙烷結(jié)晶并弱化環(huán)氧乙烷與鋰離子結(jié)合力的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了離子傳輸尺度上均質(zhì)且快速的離子通路的形成。當丁二腈和環(huán)氧乙烷的摩爾比調(diào)控為1:4時，固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率提升了2個數(shù)量級，固態(tài)電池在室溫和低溫下（0°C）下也表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
固態(tài)電解質(zhì)鋰離子傳輸模式示意圖
上述工作近期發(fā)表在《納米能源》（Nano Energy 2020,75,10497）和《先進功能材料》（Advanced Functional Materials，2020, 30, 2007172）。工作獲得了國家自然科學(xué)基金、中科院青促會項目、中科院先導(dǎo)項目和國家重點研發(fā)計劃等的資助。
固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)表征
固態(tài)電池性能
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