Advanced Materials： 高熵微區互鎖聚合物電解質在先進全固態電池化

一、【導讀】

? ? ? ? 固態電池比液態電池具有更高的能量密度和安全性，被認為是滿足下一代電池苛刻要求的最有前途的技術。固態電解質相對較好的力學強度、較高的熱降解溫度和無溶劑/較少的性質是其卓越安全性的原因。具有優異加工性能的固態聚合物電解質（SPEs）最有希望在未來大規模產業化；然而，SPEs有限的機械強度和相對較低的熱降解溫度（與無機物相比）掩蓋了抑制鋰枝晶生長和防止熱失控的能力。在所有提高SPE機械穩定性的策略中，引入聚合物鏈的交聯以構建網絡結構已被證明是有效的，這有助于在高面電流密度下抑制不希望的鋰枝晶生長。然而，提高機械強度和加速SPEs的離子遷移通常是矛盾的。高度交聯引起的過高強度降低了聚合物鏈的流動性并減少了自由體積，從而降低了離子傳輸。此外，許多報道的工作已經證明，由于表面張力的存在，交聯系統不需要過高的剪切模量來抑制鋰枝晶的生長。需要開發不同于傳統無機顆粒交聯和混合的新策略，以平衡機械強度和離子電導率的增加。

二、【成果掠影】

? ? ? ? ?為了解決全固態聚合物電解質的機械強度和離子電導率相悖性的問題，提出了一種高熵微區互鎖的全固態聚合物電解質的設計思路。受高分子和生物化學科學中熵彈性的啟發，首次將ABC雜臂星型三元聚合物引入聚環氧乙烷中，提出了高熵微區互鎖ASPEs(HEMI-ASPEs)概念。HEMI-ASPE具有多功能聚合物鏈，可誘導自身組裝成具有高拓撲結構熵的微米級和納米級動態互鎖網絡。HEMI-ASPE具有出色的韌性。鋰對稱電池可以穩定循環超過4000 h，以磷酸鐵鋰為正極、金屬鋰為負極組裝的全電池循環300次容量保持率可達到96%以上。這項工作提出了一種創新的設計理念，為ASPE引入了高熵超分子動態網絡提供思路。

? ? ? 北京凝聚態物理國家實驗室容曉暉特聘研究員和胡勇勝研究員聯合河北工業大學劉賓元教授，將相關研究工作以“High-Entropy Microdomain Interlocking Polymer Electrolytes for Advanced All-Solid-State Battery Chemistries”為題刊登在《Advanced Materials》上。

三、【核心創新點】

• 提出ATRP、ROP和化學可控設計，合成具有分子量可控、分子量分布窄ABC三元雜臂共聚物；
• 提出高熵微區互鎖結構全固態聚合物電解質，賦予全固態聚合物電解質優異的韌性、適當的離子電導率、高的陽離子遷移數和良好的熱穩定性；
• 對稱電池可以穩定循環超過4000 h，以磷酸鐵鋰和金屬鋰為正負極的電池可循環300次，保持率達到96%以上。

四、【數據概覽】

圖1 全固態聚合物電解質（ASPE）的四種設計策略示意圖。? 2022 Wiley-VCH GmbH.

圖2 ABC星型三元共聚物（ABCTP）的合成與表征。? 2022 Wiley-VCH GmbH.

圖3 含有ASPE和純PEO基ASPE的ABCTP的電化學性質。? 2022 Wiley-VCH GmbH.

圖4 通過有限元法模擬（FEMS）研究鋰離子遷移數。? 2022 Wiley-VCH GmbH.

圖5 聚合物電解質的熱穩定性、機械穩定性和形貌測試結果。? 2022 Wiley-VCH GmbH.

圖6 HEMI-ASPE-Li系統的分子動力學（MD）模擬。? 2022 Wiley-VCH GmbH.

五、【成果啟示】

? ? ? ? 通過ATRP、ROP與“點擊”化學活性聚集反應策略，結合物理設計和具有特定末端功能基團的ABCTP，使HEMI-ASPE-Li薄膜具有較高的離子導率，較好的陽離子遷移數和熱穩定性。這些改進很大程度上歸功于超分子自組引導的高濃度微納尺寸動態互聯網絡的形式。HEMI-ASPE-Li | Li對稱電池在4000小時內表現出穩定的Li沉積/剝離性能，LiFePO₄|HEMI-ASPE-Li|Li在300個循環后表現出高容量保持率(≈96%)。另外，在AS-SMB中也驗證了類似的改進，表現HEMI-ASPE的普遍適用性。

原文詳情：https://doi.org/10.1002/adma.202209402

本文由早早供稿