固態(tài)電池因其潛在的高能量密度和高安全性，成為下一代電池的重要發(fā)展方向之一。其中，聚合物固態(tài)電解質(zhì)因輕質(zhì)、低成本、柔韌性和易于加工等特點，有望提高電池的能量密度和促進(jìn)規(guī)模化生產(chǎn)。近日，中國科學(xué)院金屬研究所先進(jìn)碳材料研究部科研人員在聚合物固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究人員在高度結(jié)晶的聚環(huán)氧乙烷（PEO）塊體中發(fā)現(xiàn)了離子的自適應(yīng)擴(kuò)散現(xiàn)象，提出了使用高結(jié)晶PEO塊體作為中間層的固態(tài)電解質(zhì)組（SSE-Group）策略，有效抑制了由鋰絲生長引起的固態(tài)電池軟短路，提升了電池性能。研究成果近期以“Adaptive ion diffusion in a highly crystalline pure polymer for stable solid-state batteries”為題發(fā)表于Energy Storage Materials,DOI:10.1016/j.ensm.2024.103941。
該研究發(fā)現(xiàn)了在高度結(jié)晶的PEO材料中，多種關(guān)鍵的能量存儲離子，如Li+、Na+、K+、Mg2+、Zn2+和Al3+的離子自適應(yīng)擴(kuò)散現(xiàn)象（圖1），在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種穩(wěn)態(tài)測量方法（SSMM），克服了傳統(tǒng)電化學(xué)阻抗譜法無法測量高結(jié)晶純PEO材料中離子傳導(dǎo)能力的局限性，從而量化了PEO塊體材料在不同溫度下的離子擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明，PEO材料發(fā)生自適應(yīng)擴(kuò)散后仍然保持高結(jié)晶特性，同時形成連續(xù)的離子傳輸通道。利用這個發(fā)現(xiàn)，提出了基于高結(jié)晶PEO塊體作為中間層的多層電解質(zhì)膜組策略，有效抑制了由鋰絲生長引起的電池軟短路，實現(xiàn)了優(yōu)異倍率和循環(huán)性能的固體電池（圖2）。這些發(fā)現(xiàn)深化了對高結(jié)晶聚合物中離子傳輸機(jī)制的認(rèn)識，為開發(fā)更安全、更高效的能源存儲系統(tǒng)提供了新見解。
金屬所博士畢業(yè)生徐勝軍為論文第一作者，碩士研究生張柯欣為共同第一作者，李峰研究員和孫振華研究員為論文的通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
圖1. 高結(jié)晶PEO塊體中的離子自適應(yīng)擴(kuò)散現(xiàn)象
圖2. 固態(tài)電池性能
