加州大学尔湾分校忻获麟教授Angew：循环4500次！单锂离子导电聚电解质助力实用锂金属电池！

单锂离子导电聚电解质（SICs）具有沿其主链共价连接反阴离子的特点，有望通过降低浓度极化和防止盐耗尽来减轻枝晶形成的潜力。然而，由于其低离子电导率和复杂的合成工艺，在锂金属电池中成功验证这些优势的工作仍然有限。

近日，加州大学尔湾分校忻获麟教授采用一步紫外聚合法制备了一种SIC电解质。研究显示，所得电解质具有0.85的高锂离子转移数（tLi+），并表现出良好的锂离子电导率（室温下为6.3×10-5 S/cm），与基准双离子导体（DIC，9.1×10-5 S/cm）的电导率相当。得益于SIC的高锂离子转移数，它成功地抑制了浓度极化引起的短路，因此临界电流密度（2.4 mA/cm2）比DIC（0.8 mA/cm2）高出三倍。此外，tLi+显著影响了锂的沉积行为，SIC产生了均匀、紧凑和马赛克状的形态，而低tLi+DIC则产生了带有锂晶须的多孔形态。结果，使用SIC电解质的Li||LiFePO4电池在 22℃下稳定循环了4500次，容量保持率达70.5%。

文章要点：

1. 这项工作利用无溶剂、紫外诱导自由基聚合方式，从由可离子化单体、交联剂和低聚氧化乙烯增塑剂（PEG250）组成的前驱体溶液中实现了SIC电解质的一锅法生产。

2. PEG250增塑剂的加入有效地促进了链段运动，结果玻璃化转变温度（Tg）从8.3℃显著降至-77.2℃。这种加速的链段松弛降低了离子传导的能障和活化能，从而使其在30℃时的离子传导率达到7.4×10-5 S/cm，在60℃时达到1.9×10-4 S/cm。

3. 此外，合成的SIC膜的tLi+值为0.85，是基准DIC电解质（0.39）的两倍。SIC中阴离子的高tLi+和均匀分布使临界电流密度提高到2.4 mA/cm2。相比之下，由于电极附近存在严重的浓度极化和盐耗竭，基线DIC在0.8 mA/cm2时出现软短路。

4. 低温透射电子显微镜（Cryo-TEM）进一步揭示了锂沉积的非枝晶纳米形态，均匀分布的锂顶部受到致密的SEI层保护。

5. 由于这种高tLi+和改进的锂形态稳定性，采用SIC的Li||LiFePO4全电池在0.5C和室温条件下具有良好的耐久性，可循环使用4500次。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202308309

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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