固态聚合物电解质（SPEs）由于柔性好、可加工性强、易大规模制备、成本低等优点，在未来高能量密度固态锂电池（SSLBs）中具有良好的应用潜力。然而，低的室温离子电导率难以满足室温条件下SSLBs的需求。针对这一问题，研究人员通过增大锂盐浓度将常规的“salt-in-polymer”电解质转变为“polymer-in-salt”电解质（PISSE：盐含量高于聚合物含量），进而提高离子电导率。迄今为止，已有一些聚合物基体（如PAN、PEC等）的PISSE相继被报道，但盐浓度的增加会导致电解质的机械性能恶化，因此选择锂盐溶解能力好且机械性能强的聚合物基体至关重要。相比于常规聚合物电解质，PISSE的发展明显滞后。此外，寻找解决电极和电解质之间差的固-固界面接触的新策略对高性能SSLBs的发展具有重要意义。
近日，武汉理工大学刘金平教授团队报道了一种新型的高室温离子电导率的PVDF-HFP基PISSE，并提出将电解质渗透至3D电极中以实现充分的电极/电解质界面接触的新思路，进而构筑高性能的柔性一体化SSLB。
图1. “Polymer-in-Salt”固态电解质
该工作选择的PVDF-HFP基体具有优异的综合性能，含有的强极性官能团可“溶解”和解离大量锂盐，同时在高盐浓度下结晶态PVDF又能维持强的机械性能；采用LiTFSI作为锂盐，大阴离子TFSI-的离域作用使LiTFSI更易溶解和解离在聚合物基体中。此外，在此PISSE体系中，锂离子传输除了聚合物的链段运动外，还可通过离子簇构建的独特离子通道实现（图1b），锂离子可在此通道内快速迁移，因此在没有添加任何填料、交联剂以及特殊的结构设计情况下，仍具有较高的离子电导率（1.24×10-4 S cm-1）和锂离子迁移数（0.53）。同时还具有宽的电化学稳定窗口（4.7 V），与锂金属有良好的界面兼容性，且可使高电压NCM523稳定循环。
以上述聚合物电解质结合3D电极组装了一体化SSLB。与传统的三明治SSLBs相比，3D一体化SSLBs具有紧密的电极/电解质界面接触，可达到类似液态电解液的效果；同时还具有直接的电子传输路径和三维的离子扩散通道，可保证氧化还原反应快速且充分发生。因此展现出和液态电池相当的比容量、倍率性能和循环稳定性。
利用固态电池独特的堆叠特性，内部串联两个电池单元，制作的软包电池具有3.7 V高电压平台，其面容量和体积能量密度可与商用的薄膜电池或微电池相媲美；且表现出优异的柔性，在不同弯曲状态下电化学性能几乎没有下降，以及在滥用测试条件下表现出良好的安全性。
本工作同时解决了聚合物电解质室温离子电导率低和电极/电解质界面接触差的问题，并为设计其他先进SSLBs提供了科学指导。这一成果近期发表在国际化学顶级期刊Angewandte Chemie International Edition 上。武汉理工大学博士生刘文燚为第一作者，刘金平教授为通讯作者。
Designing Polymer‐in‐Salt Electrolyte and Fully Infiltrated 3D Electrode for Integrated Solid‐State Lithium Batteries
Wenyi Liu, Chengjun Yi, Linpo Li, Shuailei Liu, Qiuyue Gui, Deliang Ba, Yuanyuan Li, Dongliang Peng, Jinping Liu
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202101537
刘金平，武汉理工大学首席教授/博士生导师，英国皇家化学学会会士（FRSC）、湖北省“杰出青年基金”获得者、科技部“高效能源转换与存储无机材料创新团队”核心成员。长期从事固态电化学储能器件研究，提出和发展了三维阵列/固态电解质一体化储能方向。迄今为止，在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy & Environ. Sci.、Nano Lett.等期刊上发表SCI论文~150篇，包括6篇特邀综述，被Nature Energy等SCI他引15000余次, H指数63；1篇论文获“中国百篇最具影响国际学术论文”。主持了国家重点研发计划重点专项子课题、国家自然科学面上基金等项目10余项，授权发明专利近10项，出版中英文专著（章节）2部。获科睿唯安(Clarivate)“全球高被引科学家”、Elsevier“中国高被引学者”，Wiley Top-Cited Paper Award，Nano Research新锐青年科学家奖和“中国新锐科技人物”等荣誉。现任湖北省新能源动力电池工程技术研究中心副主任，中国功能材料学会理事，中国颗粒学会青年理事，澳大利亚国家研究基金委(Australian Laureate Fellowships桂冠教授、ARC Future Fellowships等)研究项目评审专家，国家及部分省级科技奖/基金项目评审专家，Energy & Environmental Materials 副主编（Wiley）及5本国际英文期刊编委（IOP/Elsevier/Springer）。
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