固态电池突破，同时提高SPEs离子电导率和机械强度

第一作者：Ao Du

通讯作者：杨春鹏

通讯单位：天津大学

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固态聚合物电解质（SPEs）因其易于加工、界面兼容性和成本效益而成为固态电池最有前途的候选材料之一。然而，SPE的离子电导率和机械强度之间的权衡已经持续了几十年，这阻碍了它们在固态锂金属电池中的应用。

本研究旨在通过使用 聚对亚苯基苯并二噁唑（PBO）纳米纤维作为高机械强度的主链和聚环氧乙烷（PEO）作为离子传导网络，打破固态聚合物电解质（SPEs）中离子导电性和机械强度之间数十年来的权衡问题。

PBO/PEO复合电解质降低了PEO的结晶度，同时提高了机械强度（74.4 MPa，约为PEO的14倍），从而在室温和提升温度下同时改善了离子导电性和机械强度，实现了均匀平滑的锂沉积。

因此，实现了在60°C下固态锂对称电池1000小时的长循环寿命，以及在60°C甚至100°C下固态锂金属全电池的稳定循环。此外，使用这种SPE的固态软包电池在弯曲后表现出优异的性能。研究清楚地表明，同时提高机械性能和导电性是固态电解质实际应用的必经之路。

图文导读

图1：SPE中离子电导率和机械强度之间的平衡示意图以及打破这种平衡的策略。

图2：PBO、PEO和PBO/PEO复合SPE的表征。

图3：不同温度下SPEs的离子电导率和力学性能。

图4：锂对称电池循环性能和锂沉积形态。

图5：固态锂金属电池全电池性能。

总结展望

本研究成功地同时提高了SPEs的离子导电性和机械强度，通过采用强、柔韧、纳米多孔的PBO作为骨架和离子传导的PEO。PBO/PEO复合SPE展现出显著提高的拉伸强度（74.4 MPa）和高离子导电性（60°C时为6.1 × 10-4 S cm-1）。增强的电解质机械强度促进了锂的均匀沉积和剥离，从而延长了固态锂金属电池的循环寿命。

使用PBO/PEO电解质的锂金属全电池展示了出色的倍率性能和循环稳定性。PBO/PEO电解质还赋予了软包电池在重复弯曲后良好的柔韧性和循环稳定性。PBO/PEO电解质的优异综合性能突出了同时提高SPEs的热、机械和电化学性能对于固态锂金属电池发展的重要性。

文献信息

标题：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