纳米能源所：用于可穿戴电子器件的自愈合固态聚合物电解质！

搞不锈钢的 2021年11月9日浏览：1635

较低的室温离子电导率和窄电化学窗口严重阻碍了传统聚氧乙烯基（PEO基）固态聚合物电解质在高能量密度锂金属电池中的应用。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员团队通过动态交联亚胺键设计并合成了一种用于固态锂金属电池的PEO基自愈合固态聚合物电解质（SHSPE），所构建的动态网络使这种固态聚合物电解质具有自愈能力和优异的力学性能，同时还具有超高的离子导电率和宽的电化学稳定窗口。研究结果表明，采用自愈合固态聚合物电解质的Li||Li电池在室温下循环超过1200小时后仍表现出优异的循环稳定性，组装的Li|SHSPE|LiFePO₄全电池循环300周后的比容量保持在126.4mAh g⁻¹。相关成果以“Self-Healing Solid Polymer Electrolyte for Room-Temperature Solid State Lithium Metal Batteries”发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c14462

纳米能源所：用于可穿戴电子器件的自愈合固态聚合物电解质！的图1

锂金属电池具有超高的理论比容量（3860mAh g⁻¹）、低密度(0.59 g cm⁻³ ) 以及最低的电化学/氧化还原电位（3.04V），因此被认为是最有前途的下一代高能量密度存储系统之一。然而，在液态电解液中电镀/剥离过程中，负极上的锂不均匀沉积不可避免地导致锂枝晶的形核和生长，这可能穿透隔膜，最终导致严重的短路、过热，甚至火灾和爆炸。此外，循环时锂金属负极内的体积变化可能导致“死锂”的形成，从而导致严重的负极粉化。这些潜在的安全问题严重阻碍了锂金属电池的大规模商业应用。

为了满足未来可持续使用的电化学能源装置的要求，研究人员已经提出了各种方法来缓解上述安全问题，其中使用固态电解质是最有希望克服锂金属电池安全问题的方法之一，因为与液态电解质不同，固态电解质可以从根本上消除泄漏风险，并通过固有的机械应变限制锂枝晶生长。固态电解质分为无机固态电解质和固态聚合物电解质（SPE），通常基于陶瓷的无机固态电解质（例如石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂）具有优异的离子导电性和机械强度，然而无机固态电解质易碎，界面接触不良，而具有更大柔韧性的固态聚合物电解质更容易加工，使其非常适合大规模制备。因此，使用具有可膨胀性、低成本和良好加工性能的固态聚合物电解质已成为锂金属电池和可穿戴电子设备的有效方法。聚环氧乙烷基聚合物因其巨大的锂盐溶解能力而成为研究和使用最广泛的固态聚合物电解质，然而它们的实用性受到室温下低离子电导率和窄电化学稳定性窗口的限制。此外，传统的聚环氧乙烷基固态聚合物电解质与电极接触不良，机械性能差，无法满足需要弯曲、拉伸和扭转等变形的柔性能源装置应用的要求。

自愈材料是一种合成物质，具有在疲劳或损伤后修复和恢复其功能的能力，无需任何外部干预，受此启发，作者合成并研究了一系列具有自愈合的固态聚合物电解质，具有自愈合能力的固态聚合物电解质可以提高电池开裂或变形后的循环稳定性，延长电池的使用寿命，动态交联可以产生很强的附着力，从而增强电解质与电极之间的有效接触。此外，固态聚合物电解质中的超分子框架还可以使锂金属电池具有灵活性，能应用于可穿戴电子设备。

本文中，作者通过动态交联亚胺键设计并合成了用于柔性固态锂金属电池的一种新的聚环氧乙烷基自愈合固态聚合物电解质，这种自愈合固态聚合物电解质具有良好的自愈合能力、优异的力学性能和电化学特性，基于可逆亚胺键的动态共价聚合物网络，通过降低聚合物结晶度显著改善自愈合固态聚合物电解质的离子导电性，并赋予电解质强粘附性，这有利于电解质与电极之间的有效接触。所制备的自愈合固态聚合物电解质在25°C下的离子电导率高达7.48×10⁻⁴，电化学窗口较宽，极限拉伸应变达到524%，此外，这种电解质材料可以自发地恢复其结构和功能，而无需额外的外部处理。组装的Li|SHSPE|LiFePO₄电池在室温下具有极好的循环稳定性，循环300周后比容量超过126.4mAh g⁻¹。基于这种特殊的自愈合固态聚合物电解质的相应固态锂金属电池在室温下具有稳定的循环性能，在可穿戴电子器件中具有广阔的应用前景。（文：李澍）

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