目前，消费电子、电动汽车、储能系统的发展迫切需要安全可靠、能量密度高、循环寿命长的可充电电池，然而由于有机液态电解质的易燃性，传统的锂离子电池面临着严重的安全问题，用固态电解质取代有机液态电解质可以从本质上解决安全问题。此外，固态电解质的使用将促成固态锂金属电池，其提供更高的能量密度，而且固态电解质因为具有宽的电化学稳定窗口，可以通过配对高电位正极材料来实现高能量密度电池。探索具有优异离子导电性、宽电化学稳定窗口、与锂金属相容性好和易于加工的准固态电解质仍然是一个挑战。 在本项工作中，重庆大学宋树丰教授团队将三种材料通过复合混合设计制备得到了一种锂金属电池用混合准固态电解质，其中聚环氧乙烷用作聚合物主体，并确保了与锂金属的界面相容性，高导电性和热稳定性的离子凝胶旨在抑制聚环氧乙烷结晶并提高其导电性，而石榴石导体增强了机械和电化学稳定性。这种复合混合设计制备的准固体电解质，不仅表现出7.4×10 S cm−1的高离子电导率，也将电化学稳定窗口扩展至5.5 V，且通过XPS证明复合混合准固态电解质的相互作用和整体结构，此外，复合混合准固体电解质还能抑制锂枝晶生长。相关论文以题目为“Composite Hybrid Quasi-Solid Electrolyte for High-Energy Lithium Metal Batteries”发表在ACS Applied Energy Materials上。原文链接：https://doi.org/10.1021/acsaem.1c01281
固态电解质通常分为两类：无机陶瓷和有机聚合物。与无机陶瓷相比，固态聚合物电解质具有柔性好、易加工、界面接触好等优点。目前比较流行用作锂电池电解质的聚合物是聚环氧乙烷，然而聚环氧乙烷型固态电解质的低离子电导率限制了其在电化学装置中的应用，而离子传输是电池中电解质最重要的功能。聚环氧乙烷型固态电解质的基本结构是聚环氧乙烷链与锂离子络合，将锂离子与反阴离子分离，这种结构通过类似于液态电解质的溶解机制支持聚环氧乙烷中锂盐的溶解，因此，人们一直致力于提高聚环氧乙烷型固态电解质的电导率并降低其工作温度。 在此，为了解决聚环氧乙烷电解质的低离子电导率问题，作者首次提出了一种独特的混合准固态电解质设计，用于高能量密度锂金属电池。混合设计包括硅离子凝胶与聚环氧乙烷链络合以及Li6.5Mg0.05La3Zr1.6Ta0.4O12活性纳米填料的分散，复合混合设计不仅产生高离子导电性，而且有效限制了锂枝晶的生长。4V准固态锂金属电池由混合准固态电解质、锂金属负极和NCM523正极构成，其放电容量为124mAhg−1，以0.1C的电流密度在55℃的高温下循环50周后，容量保持率为61.4%。总之，作者报道了一种新型锂电池准固态电解质，其采用三种材料复合混合设计。混合准固态电解质具有优良的离子导电性能，在25℃时电导率为7.42×10−4 S cm−1，35℃时电导率为1.3×10−3 S cm−1，且电子电导率低，电化学稳定窗口宽。同时，作者证明了复合混合准固态电解质对锂枝晶的生长有显著抑制作用，准固态Li∥LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和Li∥LiFePO4电池采用了这种复合混合准固体电解质。这项研究表明，聚合物、无机陶瓷导体和离子凝胶的集成为探索锂金属电池新型电解质提供了一种选择。（文：李澍）