大牛崔屹Nature Nanotechnology最新突破：超薄柔性固态聚合物电解质

锂离子的安全性问题是需要迫切解决的问题，超薄电解质膜易导致锂电池短路，固态电解质锂离子电池仍然具有安全隐患。解决超薄电解质膜易短路的问题是关键。

本文设计了一种超薄的8.6微米厚的纳米多孔“PI / PEO / LiTFSI”结构的固态电解质，赋予了电解质更好的柔性和安全性。PI膜不易燃，机械强度高，能有效的防止电池短路现象；PI膜中垂直排列的孔道结构能有效的增强填入聚合物（PEO/LiTFSI）的离子电导率（2.3×10-4 S cm-1 在 30 ℃ 时），不仅如此，该全固态锂离子电池在60℃时具有良好的循环性能，并且能承受弯曲，切割和钉子穿透等极端条件测试。

锂离子电池用途广泛，随着对能量密度越来越高的要求，锂离子电池的性能在不断提高。然而，电动汽车自燃事件时有发生，锂离子电池的安全性问题是迫切需要解决的问题。传统的锂离子电池的液态电解质是导致锂离子电池安全问题的原因之一，对更安全的电池的迫切需求引领对全固态锂电池的研究。为了获得与基于液体电解质的电池相当的能量密度，需要具有高离子电导率的超薄轻质固体电解质。其中比较好的解决方案是使用固态电解质来构筑锂离子电池。理想的固态电解质需要具备超薄，超轻且具有高离子电导率等特性。

理想情况下，锂离子电池应具有高导电性，机械强度高，不易燃，电化学窗口稳定的特点。迄今为止，已有大量的研究开展了不同类型固态电解质材料的安全性研究。固态电解质可归纳为三类：无机(陶瓷或玻璃)固态电解质、固体聚合物电解质和两者结合的杂化电解质。无机固态电解质的离子电导率在所有类型的固态电解质中最高，然而，无机固态电解质机械性能差，在实际应用过程中可能引起结构破坏。常用的PEO高分子易燃，也会带来安全隐患。

近日，斯坦福大学崔屹教授的新作，研究了一种超薄，柔性的固态聚合物复合电解质用于固态锂离子电池，相关研究论文Ultrathin, flexible, solid polymer composite electrolyte enabled withaligned nanoporous host for lithium batteries在线发表在Nature Nanotechnology 杂志上。

"聚合物-聚合物"的固态电解质设计原理

将PEO/LiTFSI填充到仅有8.6 μm厚的多孔聚酰亚胺（PI）膜中，高模量PI膜防止枝晶渗透，多孔通道增强SPE填料的离子导电性。使用PI/PEO/LiTFSI电解质时，全固态电池的能量密度与液态电解质电池相当(246 Whkg - 1)，高于其他全固态电池。

由于全固态锂离子的电池外壳可能比液体电解质锂离子电池更简单，所以固体聚合物-聚合物复合材料锂离子电池的能量密度可能会更高。

PEO/LiTFSI在PI膜中垂直孔道中的分布及其结构表征

PI膜中垂直排列的孔道结构能有效的增强填入聚合物（PEO/LiTFSI）的离子电导率（2.3×10-4 Scm-1 在 30 ℃时），而PEO/LiTFSI薄膜的电导率仅为5.4×10- 5 S cm - 1(30°C)。

PI/PEO /LiTFSI膜的力学性能和阻燃性能

PI膜不易燃烧且较好的机械性能赋予了电解质更好的柔性和安全性，能有效的防止电池短路现象。由于PI膜不易燃，力学强度高，即使经过1000多小时的循环，也可持续防止电池短路，保证安全性。

基于PI/PEO/LITFSI的全电池性能表征

利用PI/PEO/LiTFSI固态电解质组装的全固态锂离子电池具有非常好的循环稳定性和安全性。

PI/PEO /LiTFSI的极端条件测试

该研究设计了一种超薄、柔性、安全的聚合物复合固体电解质，为解决超薄电解质膜易短路的问题提供了新思路。

文章来源：Matplus 材料十