第一作者：Ao Du

通訊作者：楊春鵬

通訊單位：天津大學(xué)

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固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPEs）因其易于加工、界面兼容性和成本效益而成為固態(tài)電池最有前途的候選材料之一。然而，SPE的離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度之間的權(quán)衡已經(jīng)持續(xù)了幾十年，這阻礙了它們在固態(tài)鋰金屬電池中的應(yīng)用。

本研究旨在通過使用 聚對亞苯基苯并二噁唑（PBO）納米纖維作為高機(jī)械強(qiáng)度的主鏈和聚環(huán)氧乙烷（PEO）作為離子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，打破固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPEs）中離子導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度之間數(shù)十年來的權(quán)衡問題。

PBO/PEO復(fù)合電解質(zhì)降低了PEO的結(jié)晶度，同時(shí)提高了機(jī)械強(qiáng)度（74.4 MPa，約為PEO的14倍），從而在室溫和提升溫度下同時(shí)改善了離子導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了均勻平滑的鋰沉積。

因此，實(shí)現(xiàn)了在60°C下固態(tài)鋰對稱電池1000小時(shí)的長循環(huán)壽命，以及在60°C甚至100°C下固態(tài)鋰金屬全電池的穩(wěn)定循環(huán)。此外，使用這種SPE的固態(tài)軟包電池在彎曲后表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。研究清楚地表明，同時(shí)提高機(jī)械性能和導(dǎo)電性是固態(tài)電解質(zhì)實(shí)際應(yīng)用的必經(jīng)之路。

圖文導(dǎo)讀

圖1：SPE中離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度之間的平衡示意圖以及打破這種平衡的策略。

圖2：PBO、PEO和PBO/PEO復(fù)合SPE的表征。

圖3：不同溫度下SPEs的離子電導(dǎo)率和力學(xué)性能。

圖4：鋰對稱電池循環(huán)性能和鋰沉積形態(tài)。

圖5：固態(tài)鋰金屬電池全電池性能。

總結(jié)展望

本研究成功地同時(shí)提高了SPEs的離子導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，通過采用強(qiáng)、柔韌、納米多孔的PBO作為骨架和離子傳導(dǎo)的PEO。PBO/PEO復(fù)合SPE展現(xiàn)出顯著提高的拉伸強(qiáng)度（74.4 MPa）和高離子導(dǎo)電性（60°C時(shí)為6.1 × 10^-4 S cm^-1）。增強(qiáng)的電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度促進(jìn)了鋰的均勻沉積和剝離，從而延長了固態(tài)鋰金屬電池的循環(huán)壽命。

使用PBO/PEO電解質(zhì)的鋰金屬全電池展示了出色的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。PBO/PEO電解質(zhì)還賦予了軟包電池在重復(fù)彎曲后良好的柔韌性和循環(huán)穩(wěn)定性。PBO/PEO電解質(zhì)的優(yōu)異綜合性能突出了同時(shí)提高SPEs的熱、機(jī)械和電化學(xué)性能對于固態(tài)鋰金屬電池發(fā)展的重要性。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Breaking the Trade-Off between Ionic Conductivity and Mechanical Strength in Solid Polymer Electrolytes for High-Performance Solid Lithium Batteries

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202400808