华东理工大学王文强/王庚超AM：基于锂离子选择性跨膜传输的弹性体电解质助力固态锂硫电池

固态锂硫电池(SSLSBs)作为高比能量和高安全性电化学储能技术的下一代解决方案，在低空经济、航空航天和深海探测等专业领域引起了广泛关注。固态电解质(SSEs)是SSLSBs的核心组件。用SSEs完全替代液态电解质不仅能大幅提升安全性，还有望彻底解决困扰传统锂硫电池的穿梭效应。其中，聚合物基固态电解质(PSEs)因其柔韧性、优异的界面相容性和适用于卷对卷制造工艺等优势，吸引了广泛的研究兴趣。近年来，研究人员在PSEs的精细设计方面投入了大量努力。例如，通过嵌段共聚、交联或离子配位来增强PSEs中离子传输域的性能。此外，还引入复合填料以构建额外的离子传导路径。然而，这些PSEs仍无法在足够的离子电导率(10⁻⁴-10⁻² S cm⁻¹)与适应电极反复体积变化所需的弹性恢复力之间取得平衡。

近日，华东理工大学王文强、王庚超团队在国际知名期刊Advanced Materials期刊发表题为“An Elastomeric Electrolyte Based on Lithium-Ion-Selective Transmembrane Transport for Solid-State Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。该研究首次报道了一种基于静电纺丝诱导相分离的纤维网络弹性体固态电解质(FESE)构建策略。所制备的纤维膜中，纤维状塑晶电解质(PCE)被具有Li⁺选择性渗透能力的弹性体层所封装。该结构源于氢化丁腈橡胶(HNBR)稳定乳液在静电喷射驱动下发生的相分离和纤维化过程。随后，研究人员在电池内部进行聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯(mPEG)的原位聚合，以实现空隙填充和电解质与电极之间的紧密接触。得益于PCE相互连的离子传输通道、HNBR封装层的Li⁺选择性以及原位聚合形成的共形界面，基于FESE构建的SSLSB表现出优异的电化学性能。

FESE 的设计策略通过三个主要步骤完成，即乳液形成、静电纺丝诱导相分离和界面共形（图1）。1）HNBR的分子链由非极性聚烯烃链段（保留一定的双键）和极性聚丙烯腈链段组成，因此表现出类表面活性效应。通过将PCE（由琥珀腈和锂盐组成）添加到HNBR的二甲苯溶液中并进行高速均质化，可以获得稳定的乳液。对于乳液颗粒，由于腈基的强极性所带来的相互作用，HNBR的聚丙烯腈链段倾向于延伸到PCE相中。而聚烯烃链段倾向于朝向非极性溶剂一侧，从而形成外侧HNBR相稳定内部PCE相的乳液。2）在静电纺丝过程中，乳液在静电力下形成射流，其中的乳液颗粒则相应地被拉伸并融合。随着溶剂逐渐蒸发，乳液外层的非极性链段富集区经历过饱和相分离及同步紫外光交联形成皮层，得到HNBR封装PCE的纤维网络型弹性薄膜（FESM）。3）为了实现和电极的界面共形，最后在FESM的孔隙中原位聚合mPEG得到FESE。

通过 mPEG 的原位聚合以填充 FESM 的空隙而获得FESE，随后对其离子传输性能与稳定性进行评估。FESE 表现出1.11 mS cm−1的高室温离子电导率，电场和离子浓度分布的有限元分析证实这归因于互连的纤维离子传输通道。此外，FESE 表现出0.5–5.0 V的宽电化学稳定性窗口和0.77的高的Li+迁移数。基于此，带有 FESE 的Li 对称电池表现出出色且稳定的循环性能以及高临界电流密度（图3）。

得益于三维互连的离子传输通道、HNBR封装层的Li⁺选择性以及共形界面，所组装的SSLSB表现出低阻抗、固相化的硫转化动力学、超低的连续自放电电流、高初始放电容量(0.1C下1188 mAh g⁻¹)、卓越的倍率性能(4C下356 mAh g⁻¹)以及优异的循环性能(1C下800次循环后容量保持率达71.2%)。此外，通过两组电极的串联组装的软包 SSLSB成功地为小型无人机提供动力以实现连续运行（图4）。

进一步地，基于充放电过程中的原位阻抗变化和弛豫时间分布（DRT），进一步研究了由 FESE 所引起的阴极硫固相转化的动力学过程。在整个充放电过程中，带有 FESE 的 SSLSB 表现出稳定的氧化还原反应（P1）、界面传质（P2）和电解质传质（P3）的动力学响应。带有 FESE 的 SSLSB循环后的负极也具有更光滑平坦的形貌，这表明更少的副反应（图5）。

王庚超，华东理工大学材料科学与工程学院，博士生导师。主要从事功能高分子及其复合材料在电化学储能、导电、无卤阻燃等方面的研究工作。瞄准新能源汽车、储能、智能穿戴等领域对电化学储能器件的重大需求，发挥高分子特长，主要开展水性多功能粘结剂、固态聚合物电解质创、凝胶/准固态聚合物电解质材料的创制及应用研究。瞄准安全节能、绿色阻燃等重大需求，开展导电高分子功能复合材料及在自限温电热器件上应用，以及绿色阻燃高分子材料的应用研究。在Adv Mater、Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater、ACS Nano、Energy Storage Mater等期刊上发表SCI论文120余篇，获授权发明专利40余项；获2017年上海技术发明一等奖、2009年国家科学技术进步二等奖、2006年上海市科技进步二等奖（第一完成人）等奖项。

王文强，华东理工大学材料科学与工程学院，特聘副研究员。主要从事锂离子电池、锂硫电池、水系锌电等新能源器件中的关键高分子材料的制备及应用（如聚合物基电解质、粘结剂等）。迄今，以第一作者/共一/（共同）通讯作者在Adv Mater、Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater、 Energy Storage Mater、J Energy Chem等期刊发表SCI论文31篇。入选上海市“超级博士后”激励计划，主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金站中特别资助项目、中国博士后科学基金面上项目。

张一帆，博士研究生，主要从事固态锂硫电池相关的固态电解质及高性能电极的制备与应用。以第一作者在Adv Mater、Energy Storage Mater等高水平期刊发表相关研究。