2022年，第一篇锂电Nature！

在固态电池中使用锂金属负极，已成为取代传统锂离子电池最有前途的技术之一。固态电解质是锂金属电池安全运行的关键技术，因为它可以抑制锂枝晶不受控制的生长。然而，现有固态电解质的力学性能和电化学性能，还不能满足锂金属电池实际应用的要求。

在此，来自韩国科学技术高级研究院的Bumjoon J. Kim&美国佐治亚理工学院的Seung Woo Lee等研究者，报道了一类具有三维相互连接的塑性晶体相的弹性固体电解质。相关论文以题为“Elastomeric electrolytes for high-energy solid-state lithium batteries”于2022年01月12日发表在Nature上。

基于有机电解质体系的锂(Li)金属电池(LMBs)的商业应用，一直受到安全问题和锂金属负极众所周知挑战的阻碍：不受控制的Li枝晶生长、不稳定的固电解质间相(SEI)层增厚、“死”Li的形成以及循环过程中Li金属的大体积变化，这些都加速了电池的衰落。

因此，众多研究努力致力于利用多孔支架、人工SEI层和固态电解质(SSEs)，来解决这些问题。特别是，基于无机或有机有机溶剂的固态LMBs已经成为一个有潜力的候选者，因为它们通过消除可燃有机溶剂，在安全性方面提供了实质性的改善。

鉴于锂离子电池的滚对滚制造工艺的兼容性，固体聚合物电解质(SPEs)因其低制造成本、无毒和相对柔软的性质而引起了人们的极大兴趣，使其能够与电极形成光滑的界面。在各种聚合物中，聚环氧乙烷(PEO)基SPEs一直是研究的重点；然而，这些聚合物没有表现出足够的离子导电性和稳定性，以稳定运行的LMBs。提高离子导电性的一个常见方法是在聚合物基体中加入添加剂，如有机和无机填料，以形成凝胶或杂化的SPEs。然而，这些凝胶和杂化SPEs的离子导电性和/或力学性能应进一步提高，以提高其在高能LMBs中的可行性。

弹性体是一种合成橡胶，由于其优越的力学性能，广泛应用于消费产品和先进技术(可穿戴电子产品和软机器人)。弹性体既可以提供良好的基体分散功能部件，同时又保持了力学弹性和功能性。例如，当分散的组分在弹性体基体内三维连接时，共混物的重要功能，如电导率和离子导电性可以很好地保持。

聚合诱导相分离(PIPS)是一种控制相分离结构的畴大小和连通性的过程，允许形成共连续的纳米结构。然而，目前还没有人尝试使用PIPS在弹性体系统中开发离子传导相。因此，研究者设想，如果离子导电材料能够通过PIPS在力学坚固的弹性体基体中形成三维(3D)互联相，就可以实现优异的离子和力学性能。

在此，研究者报道了一种用于高能LMBs的不同类型的SPEs，它是基于一种具有离子导电塑性晶体且具有三维互联相的原位形成的弹性体。塑性晶体嵌入弹性体电解质(PCEE)的共连续结构，是由PIPS在原胞内的聚合物和塑性晶体之间开发的。PCEE表现出优异的力学性能和高离子电导率(在20°C时为1.1 mS cm⁻¹)，具有高锂离子转移数(t₊)为0.75。

此外，由于其力学弹性，在电池内形成的PCEE(以下简称“内置PCEE”)有效地适应了快速充放电循环过程中Li的大体积变化。使用内置的PCEE，研究者演示了一个基于SPE的固态LMB，正极为LiNi_0.83Mn_0.06Co_0.11O₂(NMC-83)，在4.5 V的高压下的稳定运行。这种弹性体电解质系统，为实现高性能和稳定的固态LMBs提供了一个有前途的策略。

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图1. 塑性-晶体嵌入弹性体电解质的设计

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图2. 内置PCEE的性质

图3. 对称Li和非对称Li||Cu电池内置PCEE

图4. 研制具有弹性电解质的高能全固态LMB

综上所述，研究者报道了一类基于弹性电解质原位形成的SPEs，该弹性体电解质含有三维互联的塑性晶体相，成功地结合了弹性体和塑性晶体的优点，包括高离子导电性、优异的力学性能、电化学稳定性、低界面电阻，高锂离子转移数。内置的PCEEs使对称Li和非对称Li||Cu电池皆具有优异的循环性能，其低电压滞回低于26 mV和100.0%的CEs。最后，在有限的锂源和高负载NMC正极(N/P比<3.4)的约束条件下，研究者证明了PCEE基固态LMB在环境温度下具有高比能和高功率的稳定运行。

这种弹性体电解质体系，能够以其优异的力学性能和高的离子电导率而广泛应用于各种后金属(如钠、钾、锌、镁、铝)电池的操作，包括金属-空气电池和金属-硫电池等。

文献信息

Lee, M.J., Han, J., Lee, K. et al. Elastomeric electrolytes for high-energy solid-state lithium batteries. Nature 601, 217–222 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04209-4

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04209-4#citeas

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