武汉理工刘金平教授团队《Adv. Mater.》：含填料复合聚合物电解质的研究进展

2022-08-16 来源：高分子科技

聚合物电解质是常见的固态电解质之一，其通常比氧化物、硫化物等固态电解质有更优异的柔韧性、易于制备、更易形成紧密的电极/电解质界面。遗憾的是，聚合物电解质一般离子电导率偏低，稳定电位窗口不够宽，机械强度和热稳定性也均有待进一步提高。将填料引入到聚合物电解质中形成复合聚合物电解质，填料表面的羟基及其它特征官能团、氧空位等可提供路易斯酸位与聚合物链上的路易斯碱位或锂盐形成相互作用，从而改变聚合物的结晶度、增加自由锂离子浓度、改善聚合物稳定性、增强聚合物的机械模量等，有望解决以上离子电导率低等关键问题；近年来，此领域的研究取得了重要的进展。

近日，武汉理工大学刘金平教授团队在国际材料顶级期刊Advanced Materials上发表了题为“Filler-Integrated Composite Polymer Electrolyte for Solid-State Lithium Batteries”的综述论文，全面介绍了复合聚合物电解质中锂离子传导机制、填料的类别、填料-聚合物界面设计策略、填料促进的电极/聚合物电解质界面优化设计原理等，为复合聚合物电解质在固态锂电池领域的实际应用提供了新参考（图1）。

图1：复合聚合物电解质研究进展概况示意图

首先，文章简要介绍了常见的3类填料，主要包括：1）非活性填料SiO₂, Al₂O₃, Mo₂C等；2）活性填料Li_0.33La_0.557TiO₃ (LLTO), Li_6.75La₃Zr_1.75Ta_0.25O₁₂ (LLZTO)等；3）新型功能性填料氧化石墨烯GO、金属有机框架材料MOF、h-BN、二维黏土等。上述填料增强锂离子电导率通常存在4种可能的机理：1）与聚合物链形成相互作用以降低玻璃化转变温度T_g，同时减小聚合物的结晶度、增强聚合物链段的蠕变能力；2）与锂盐相互作用以促进锂盐的解离、增加自由锂离子的浓度；3）通过表面官能团与锂离子和聚合物配位，以减弱锂离子与聚合物的相互作用、降低锂离子传输的能垒；4）通过填料-聚合物界面相或者活性填料的充分逾渗形成新的锂离子传输路径。

其次，讨论了填料的尺寸、加入量（浓度）对填料-聚合物界面设计的重要性；特别是探讨了3种填料复合技术、优势与设计原则：1）原位复合技术；2）1D纳米线填料复合；3）设计3D连续填料结构。并强调了通过在聚合物电解质制备过程中引入特殊功能性填料，在电池工作时原位形成电极/电解质界面相SEI或CEI（传导离子、绝缘电子），可以非常有效地提升界面稳定性，减小界面阻抗，让固态电池高效稳定工作，此为当前复合聚合物电解质领域的研究热点之一。

图2：未来复合聚合物电解质的潜在研究方向

在文章最后作者指出，未来要满足复合聚合物电解质在实际固态锂电池中的应用，需同时具备高的锂离子电导率（≥10^-3 S cm^-1）、宽的稳定电位窗口（~5V）、优异的机械性能和良好的界面结合能力。以下几个方面将是未来的重要研究方向（图2）：1）利用先进的表征技术深入分析复合电解质中锂离子的传导机制，以建立牢固的高性能复合固态电解质和固态电池设计所需的研究基础；2）最大程度优化填料-聚合物界面，以防止填料的团聚、同时形成充分逾渗的离子传输网络通道；3）发展新型（如交联）聚合物基体，以促进与填料的路易斯酸碱作用，提高锂离子传导和聚合物电解质的稳定电化学窗口；4）开发特征功能填料，促进电极/电解质界面原位生成SEI和CEI；提高复合电解质的粘附性、亲锂性和机械模量，以增强界面接触、抑制金属锂枝晶的生长。

论文信息：

Filler-Integrated Composite Polymer Electrolyte for Solid-State Lithium Batteries

Shuailei Liu, Wenyi Liu, Deliang Ba, Yongzhi Zhao, Yihua Ye, Yuanyuan Li,* and Jinping Liu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202110423

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110423

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（责任编辑：xu）

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