离子电导率和力学性能兼顾的超分子锂离子导体

来源：材料人

引言

聚合物电解质可以有效提高锂离子电池安全性，同时保持低成本和易加工的特点。降低聚合物电解质的玻璃化温度(Tg)有利于提高其离子电导率，但对其机械强度不利。因此，开发兼具良好的机械强度和离子电导率的聚合物电解质是一项挑战。为了解决离子电导率和力学性能不兼容难题，研究人员采用了多种聚合物设计策略。例如聚苯乙烯-聚乙二醇共聚物体系中聚苯乙烯段提供机械强度，聚乙二醇段提供离子电导率。其它策略包括纳米尺度的相分离、和纳米颗粒交联等等。然而，这些策略虽然提升了聚合物电解质的机械强度，但大都缺乏柔韧性，不适用于制备柔性、可拉伸电池的要求。

成果简介

近日，斯坦福大学鲍哲南教授、崔屹教授和上海交大颜徐州研究员（共同通讯作者）等人报道了实现聚合物电解质的离子电导率和机械性能分离的有效方法。他们设计了离子电导率和机械性能分别由低Tg的聚醚结构和动态键合的2-脲-4-嘧啶酮 (UPy)结构单元提供的超分子锂离子导体(SLIC)，并获得了具有优异的韧性（29.3 MJ/m3）和高离子电导率（室温离子电导率为1.2×10-4 S/cm）的聚合物电解质。他们还用UPy单元摩尔比率低至20%的SLIC材料作为粘接剂，通过传统的浆料工艺制备了应变能力高达100%的可拉伸电极。而且，他们将SLIC电解质和SLIC电极结合起来，通过界面间UPy的氢键作用，有效解决了电池组分在界面难以良好结合等问题，使锂离子电池在分子水平上可拉伸。利用SLIC可伸缩材料构建的电池容量达到1.1 mAh cm-2，甚至在70%的应变条件也能维持正常工作。上述成果以“Decoupling of mechanical properties and ionic conductivity in supramolecular lithium ion conductors”为题发表在国际期刊Nat. Commun.上。

图文导读

图1.SLIC 示意图

a.SLIC的结构、 从SLIC-0到SLIC-3的组成和分子量；

b.SLIC的工作原理。

图2.SLIC的表征

a.拉伸速率为100 mm min−1时从SLIC-0到SLIC-3的应力-应变曲线；

b.拉伸速率为30 mm min−1时SLIC-3的拉伸循环曲线；

c.从SLIC-0到SLIC-3的小角度X射线散射图；

d.从SLIC-0到SLIC-3的时间-温度叠加流变曲线；

e.从SLIC-0到SLIC-3的DSC曲线。

图3.聚合物电解质SLIC的表征

a.SLIC的离子电导率与UPy含量的关系；

b.SLIC的离子电导率与Tg的归一化温度的关系；

c.从SLIC-0到SLIC-3的7Li NMR曲线；

d.含与不含质量分数为2%的SiO2的DEGDME质量分数为20%的SLIC-3的应力-应变曲线；

e.SLIC的归一化离子电导率与应变的关系；

f.SLIC的韧性与离子导电率和其它电解质的对比。

图4.用SLIC制备可拉伸电极

a.SLIC-1、SLIC-3、PVDF和PEO分别作为粘接剂制成的电极的应力-应变曲线；

b.SLIC电解质和不同电极之间的粘接能；

c.SLIC电解质和SLIC电极之间界面的动态UPy键的形成；

d.SLIC-3电解质和 SLIC-1电极之间界面的扫描电镜（SEM）图像。

图5.基于 SLIC的可拉伸电池

a.基于 SLIC的可变形电池的照片；

b.电池的结构；

c.LFP||SLIC-3||LTO全电池的倍率性能；

d.全电池的充放电循环曲线；

e.全电池在未被拉伸和应变为70%的条件下的性能；

f.全电池在未被拉伸、应变为70%、被折叠和恢复原样的条件下都能点亮LED。

小结

总之，SLIC能用于制备可拉伸锂离子电池的高性能、离子导电的材料。他们用SLIC的动态交联网络来分离离子导电性和机械性能，制备了韧性空前高的聚合物电解质。而且，SLIC还可用作可拉伸电极的粘接剂及集流体材料。SLIC体系为制备可拉伸电子器件所需的柔性可拉伸电池提供了一种全新的可能。

文献链接：

Decoupling of mechanical properties and ionic conductivity in supramolecular lithium ion conductors（Nat. Commun.，2019，DOI:10.1038 /s41467-019-13362-4）