我国高比能固态锂电池研究取得新进展，能量密度达 451.5 Wh/kg

5 月 21 日消息，据中国科学院金属研究所今日消息，聚合物电解质是实现高比能固态锂电池的理想材料，其中聚偏氟乙烯基电解质因具有高氧化稳定性和离子电导率而备受关注。

然而，聚偏氟乙烯作为一种弱配位基体，依赖制备过程中残留的极性溶剂（如二甲基甲酰胺）作为“增塑剂”以促进离子传输。这些传统增塑剂虽与聚合物互溶性良好，但电化学稳定性较差，容易在电极界面持续分解，制约了锂负极可逆性以及与高压正极的兼容性。与之相对，电化学稳定的理想增塑剂（如环丁砜、碳酸乙烯酯）却与聚偏氟乙烯存在严重的热力学不相容问题，难以制备出均匀的电解质薄膜。

针对上述“相容性与电化学稳定性”难以兼得的瓶颈，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭及二维材料研究部科研团队提出了一种相容溶剂辅助塑化的通用制备策略。

研究团队通过引入挥发性相容溶剂，显著降低了混合体系的有效相互作用参数，从而克服热力学排斥，获得了均相溶液。在成膜阶段，随着相容溶剂快速挥发、体系粘度急剧升高，增塑剂被锁定在聚合物三维网络中，实现了原本不相容的增塑剂的均匀塑化。相关成果以“Polymer-modulated solvation chemistry via compatibilizing-solvent plasticization for stable high-energy lithium metal batteries”为题发表于《美国化学会志》（JACS）。

研究团队通过分子动力学模拟与光谱学分析进一步揭示了聚合物对该塑化体系溶剂化化学的调节机制。聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物与环丁砜通过非典型氢键相互作用，一方面限制了增塑剂的自由迁移，减少了电极界面的副反应；另一方面重构了阴离子聚集体为主导的溶剂化结构，在电极界面衍生出富含氟化锂的稳定界面层，显著提升了正负极的界面稳定性。

得益于此，该电解质赋予高压锂金属电池优异的综合性能。当匹配 4.7V 高镍正极时，电池可在 20C（3 分钟充放电）极高倍率下稳定循环 700 次，容量保持率达 81.9%。安时级软包电池搭配薄锂负极（N/P 比 = 1.1）可稳定循环 100 次，能量密度高达 451.5 Wh kg-1，远超目前商业化磷酸铁锂动力电芯（约 200 Wh kg-1）。

同时，该软包电池可通过针刺测试，展现出高的本征安全性。该研究突破了聚合物-增塑剂组合的选择局限，拓展了聚合物电解质的设计空间，为推动高安全、高比能固态锂电池的实用化进程提供了技术支撑。

金属所博士毕业生徐若谷、博士生王玉洁、拜罗伊特大学徐胜军博士为论文的共同第一作者，金属所李峰研究员、孙振华研究员、成会明研究员以及郑州大学田芸副教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和辽宁省应用基础研究计划等项目的支持。

附论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c02800