第一作者：Ao Du

通訊作者：楊春鵬

通訊單位：天津大學

論文速覽

固態聚合物電解質（SPEs）因其易于加工、界面兼容性和成本效益而成為固態電池最有前途的候選材料之一。然而，SPE的離子電導率和機械強度之間的權衡已經持續了幾十年，這阻礙了它們在固態鋰金屬電池中的應用。

本研究旨在通過使用 聚對亞苯基苯并二噁唑（PBO）納米纖維作為高機械強度的主鏈和聚環氧乙烷（PEO）作為離子傳導網絡，打破固態聚合物電解質（SPEs）中離子導電性和機械強度之間數十年來的權衡問題。

PBO/PEO復合電解質降低了PEO的結晶度，同時提高了機械強度（74.4 MPa，約為PEO的14倍），從而在室溫和提升溫度下同時改善了離子導電性和機械強度，實現了均勻平滑的鋰沉積。

因此，實現了在60°C下固態鋰對稱電池1000小時的長循環壽命，以及在60°C甚至100°C下固態鋰金屬全電池的穩定循環。此外，使用這種SPE的固態軟包電池在彎曲后表現出優異的性能。研究清楚地表明，同時提高機械性能和導電性是固態電解質實際應用的必經之路。

圖文導讀

圖1：SPE中離子電導率和機械強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復合SPE的表征。

圖3：不同溫度下SPEs的離子電導率和力學性能。

圖4：鋰對稱電池循環性能和鋰沉積形態。

圖5：固態鋰金屬電池全電池性能。

總結展望

本研究成功地同時提高了SPEs的離子導電性和機械強度，通過采用強、柔韌、納米多孔的PBO作為骨架和離子傳導的PEO。PBO/PEO復合SPE展現出顯著提高的拉伸強度（74.4 MPa）和高離子導電性（60°C時為6.1 × 10^-4 S cm^-1）。增強的電解質機械強度促進了鋰的均勻沉積和剝離，從而延長了固態鋰金屬電池的循環壽命。

使用PBO/PEO電解質的鋰金屬全電池展示了出色的倍率性能和循環穩定性。PBO/PEO電解質還賦予了軟包電池在重復彎曲后良好的柔韌性和循環穩定性。PBO/PEO電解質的優異綜合性能突出了同時提高SPEs的熱、機械和電化學性能對于固態鋰金屬電池發展的重要性。

文獻信息

標題：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