5 月 21 日消息，據(jù)中國科學院金屬研究所今日消息，聚合物電解質(zhì)是實現(xiàn)高比能固態(tài)鋰電池的理想材料，其中聚偏氟乙烯基電解質(zhì)因具有高氧化穩(wěn)定性和離子電導率而備受關(guān)注。

然而，聚偏氟乙烯作為一種弱配位基體，依賴制備過程中殘留的極性溶劑（如二甲基甲酰胺）作為“增塑劑”以促進離子傳輸。這些傳統(tǒng)增塑劑雖與聚合物互溶性良好，但電化學穩(wěn)定性較差，容易在電極界面持續(xù)分解，制約了鋰負極可逆性以及與高壓正極的兼容性。與之相對，電化學穩(wěn)定的理想增塑劑（如環(huán)丁砜、碳酸乙烯酯）卻與聚偏氟乙烯存在嚴重的熱力學不相容問題，難以制備出均勻的電解質(zhì)薄膜。

針對上述“相容性與電化學穩(wěn)定性”難以兼得的瓶頸，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進炭及二維材料研究部科研團隊提出了一種相容溶劑輔助塑化的通用制備策略。

研究團隊通過引入揮發(fā)性相容溶劑，顯著降低了混合體系的有效相互作用參數(shù)，從而克服熱力學排斥，獲得了均相溶液。在成膜階段，隨著相容溶劑快速揮發(fā)、體系粘度急劇升高，增塑劑被鎖定在聚合物三維網(wǎng)絡中，實現(xiàn)了原本不相容的增塑劑的均勻塑化。相關(guān)成果以“Polymer-modulated solvation chemistry via compatibilizing-solvent plasticization for stable high-energy lithium metal batteries”為題發(fā)表于《美國化學會志》（JACS）。

研究團隊通過分子動力學模擬與光譜學分析進一步揭示了聚合物對該塑化體系溶劑化化學的調(diào)節(jié)機制。聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物與環(huán)丁砜通過非典型氫鍵相互作用，一方面限制了增塑劑的自由遷移，減少了電極界面的副反應；另一方面重構(gòu)了陰離子聚集體為主導的溶劑化結(jié)構(gòu)，在電極界面衍生出富含氟化鋰的穩(wěn)定界面層，顯著提升了正負極的界面穩(wěn)定性。

得益于此，該電解質(zhì)賦予高壓鋰金屬電池優(yōu)異的綜合性能。當匹配 4.7V 高鎳正極時，電池可在 20C（3 分鐘充放電）極高倍率下穩(wěn)定循環(huán) 700 次，容量保持率達 81.9%。安時級軟包電池搭配薄鋰負極（N/P 比 = 1.1）可穩(wěn)定循環(huán) 100 次，能量密度高達 451.5 Wh kg-1，遠超目前商業(yè)化磷酸鐵鋰動力電芯（約 200 Wh kg-1）。

同時，該軟包電池可通過針刺測試，展現(xiàn)出高的本征安全性。該研究突破了聚合物-增塑劑組合的選擇局限，拓展了聚合物電解質(zhì)的設計空間，為推動高安全、高比能固態(tài)鋰電池的實用化進程提供了技術(shù)支撐。

金屬所博士畢業(yè)生徐若谷、博士生王玉潔、拜羅伊特大學徐勝軍博士為論文的共同第一作者，金屬所李峰研究員、孫振華研究員、成會明研究員以及鄭州大學田蕓副教授為論文通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和遼寧省應用基礎研究計劃等項目的支持。

▲ 相容溶劑塑化策略拓展聚合物-增塑劑組合范圍

▲ 聚合物調(diào)制陰離子聚集體溶劑化結(jié)構(gòu)及固態(tài)電池性能