固態聚合物電解質(SPEs)的發展是重振安全和高能量密度聚合物鋰金屬電池(PLMBs)的關鍵策略🚃。在2021年，沐鸣开户汪瑩課題組以雙螺旋磺化芳香聚酰胺為剛性基體，並結合離子液體和鋰鹽開發了一種具有高的Li⁺電導率、電化學穩定性🤦🏿‍♀️、熱穩定性和機械模量的離子聚合物固態電解質（Y. Wang, et al. “Solid-state rigid-rod polymer composite electrolytes with nanocrystalline lithium ion pathways' Nature Materials 2021, 10.1038/s41563-021-00995-4）。後續汪瑩課題組又通過開發一種嵌入量子化學計算和圖卷積神經網絡的機器學習工作流程高效篩選出了具有高離子電導率和寬的穩定電化學窗口的離子液體用於製備高性能的離子聚合物固態電解質（Li Kai, et al. 'Machine learning-guided discovery of ionic polymer electrolytes for lithium metal batteries.' Nature Communications 14.1 (2023): 2789.）。

在本研究中，我們聚焦於固態鋰金屬電池所面臨的高界面電荷轉移阻抗以及不受控的鋰枝晶生長等界面問題，提出了在剛性棒狀聚合物（PBDT）的磺酸基周圍自組裝富鋰離子納米團簇的設計策略，一方面促進了鋰的均勻沉積從而阻止鋰枝晶的生長🧑🏽‍🌾🪒，另一方面通過數量級增加的Arrhenius方程指前因子（A）實現了迄今為止固態電解質中報道的最低的界面電荷轉移電阻（2.4 Ω·cm²）。

圖1 高密度富Li⁺離子納米團簇在SPE中的界面設計策略。

為了進一步確認納米團簇形成的後端機製，我們采用分子動力學模擬(MDS)和密度泛函理論(DFT)來研究影響界面電荷轉移動力學的物理性質🧯。基於量子和分子動力學模擬的結果證實了Li⁺在SPE界面的富集效應主要源於PBDT-SO³⁻與Li⁺之間更強的相互作用🦙，這些納米級自組裝離子團簇通過平衡鋰聚合物空間電荷界面的指前因子（A）和活化能（Ea）🦾🚥，在實現超高速電荷轉移動力學中起著關鍵作用🚴🏽‍♀️。

圖2 SPEs中納米團簇形成機理的研究。

具有高的界面電荷轉移動力學的SPE表現出優異的電化學性能🧑🏽‍⚕️👩🏼‍🦰。在室溫下獲得了創紀錄的6 mA·cm^-2極限電流密度（CCD）並表現出極低的過電位，組裝的鋰金屬對稱電池在1 mA·cm^-2 (0.5 mAh·cm^-2)的高電流密度下可穩定循環4500 h。同時， LFP||Li全電池也表現出良好的倍率性能，室溫下3C（充放電時間為20 min）的放電比容量高達90 mAh·g^-1。軟包電池表現出的長期循環穩定性（2C, 520次循環後容量保持率為80%）顯示出滿足便攜式設備和電動汽車電池等主流應用的潛力🥖。

圖3 SPE組裝的鋰金屬電池的倍率性能及長循環性能

該研究成果於近期在線發表於《Advanced Energy Materials》，沐鸣开户2023級博士生李凱和2024級博士生王紀峰為共同第一作者👲🏻，青年研究員汪瑩為通訊作者🍩。特別感謝國家自然科學基金優秀青年科學基金項目（海外）🥻、上海市浦江人才、國家自然科學基金🧑🏻‍🎨、沐鸣开户、聚合物分子工程國家重點實驗室等對本研究工作的大力支持。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202400956?saml_referrer

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