固態鋰金屬電池因其具有高能量密度的潛力和高安全性，被認為是下一代儲能裝置之一。同時，聚合物電解質憑藉其高柔韌性、優異的介面相容性和可加工性，在鋰金屬電池中具有良好的應用前景。當固體電解質的厚度降低到小於30 µm時，所組裝的電池有望展現出超過400 Wh kg⁻¹的能量密度。因此，製備超薄聚合物電解質，對於實現高能量密度的固態鋰金屬電池具有重要意義。
近日，上海科技大學物質學院劉巍課題組開發了一種超薄（10 µm）聚合物電解質（PAN fiber-PEGDA）。該聚合物電解質在室溫下展現出卓越的離子電導率和高機械強度。基於PAN fiber-PEGDA的軟包電池（Li||20.3 mg cm-2 NCM811）能夠實現380 Wh kg⁻¹，936 Wh L⁻¹的能量密度。相關工作以題為“Fiber-reinforced ultrathin solid polymer electrolyte for solid-state lithium-metal batteries”的論文發表在國際期刊《Advanced Functional Materials》上。論文的通訊作者為上海科技大學劉巍教授，論文第一作者為上海科技大學博士研究生張亦凝。
圖1. 超薄聚合物電解質PAN fiber-PEGDA示意圖。
【工作要點】
本工作透過將靜電紡絲聚丙烯腈（PAN）膜與聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）聚合物電解質結合，經過原位聚合得到超薄聚合物電解質PAN fiber-PEGDA，厚度僅為10 µm。PAN纖維框架作為支撐層，能夠顯著提升電解質的機械強度（模量>100 MPa）。
圖2. 超薄聚合物電解質理化效能表徵
圖3. 超薄聚合物電解質電化學效能
此外，該聚合物電解質還可以實現更穩定的富含Li 3N的SSE（固體電解質）/Li介面，從而增強與鋰負極的介面相容性，有效地抑制了鋰枝晶的生長。鋰對稱電池（Li||Li）展現出長迴圈壽命和較低的極化。
圖4. 超薄聚合物電解質與鋰金屬相容性
圖5. 超薄聚合物電解質半電池和全電池效能
【結論】
總結來說，我們透過聚丙烯腈（PAN）纖維增強的方法，製備了一種厚度僅為10 µm的超薄聚合物電解質。該電解質的室溫離子電導率可達8.8×10 -4 S cm -1。同時，PAN膜為電解質提供了良好的機械強度。其臨界電流密度達到了1.04 mA cm -2。此外，它能夠實現更均勻且平滑的鋰沉積，富含Li 3N的固體電解質/鋰（SSE/Li）介面展現出優異的鋰相容性，從而有效地抑制鋰枝晶的生長。此外，基於這種超薄電解質組裝的全電池軟包電池實現了380 Wh kg⁻¹的能量密度。本研究為纖維增強型聚合物電解質在高效能全固態鋰金屬電池中的實際應用提供了新的思路。
原文連結：https://doi.org/10.1002/adfm.202421054
來源：高分子科學前沿
宣告：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
