中國粉體網訊 固態聚合物電解質具有良好的界面相容性，且制備方法簡便，便于大規模生產。固態聚合物電解質主要分為3類：聚環氧乙烷（PEO）基、聚碳酸酯（PC）基和聚硅氧烷基固態電解質體系。目前，固態聚合物電解質在應用時仍然面臨室溫離子電導率低、電解質/電極界面接觸差、電化學窗口窄等挑戰，限制了它的發展。
固態聚合物電解質由聚合物基質與溶解在聚合物基質中的堿金屬鹽組成。聚合物基固態電解質的研究可以追溯至19世紀80年代，Wright等人首先提出聚氧化乙烯可以溶解堿金屬鹽并形成離子導電聚合物，由于陽離子與聚合物主鏈中醚氧原子的配位隨著溫度變化，聚合物的電導率呈現溫度依賴性。之后，Vashisht和Armand將PEO和聚苯醚（PPO）等聚合物用于固態電解質與固態電池的制作中。自此，聚合物基固態電解質逐漸受到研究者的重視并被廣泛研究。PEO由于具有較低的玻璃化轉變溫度，對鋰鹽的溶解能力強且具有較好的加工性能，成為目前聚合物基固態電解質中研究最為廣泛的基體材料。此外，隨著對電池高能量密度的需求越來越高，研究人員開發出了具有高電壓穩定的聚磷腈（PPN）、聚碳酸酯（PVC、PTMC、PPC）、聚腈基丙烯酸酯（PECA）、聚丙二酰胺以及聚草酸酯（POE）等固態聚合物電解質。
固態聚合物電解質發展進程
研究表明，相比于陶瓷基固體電解質與電極之間的剛性固固接觸，聚合物基固態電解質因具備柔性，可以在一定程度上減少界面電阻，但相比于液體電解質能夠完全潤濕正負極界面，其與電極界面的接觸依然欠佳。此外，充放電過程中正、負電極的體積變化會進一步惡化界面接觸，使得界面處的離子和電子傳輸受阻，極大地降低電化學反應動力學；另一方面，聚合物基固態電解質在電極界面上的穩定性欠佳，在循環過程中，容易在電極界面上發生氧化還原反應，引發電池失效。PEO基聚合物電解質的起始分解電壓為3.8V（vs.Li/Li+），可以搭配低電壓的磷酸鐵鋰（LiFePO4）正極使用，但當與高電壓層狀過渡金屬氧化物正極（如LiCoO2、NCM、NCA等）相匹配時，其在正極/電解質界面上會發生嚴重的氧化反應，增加電池電阻，釋放氣體，嚴重影響電池的循環穩定性和安全性。聚合物基固態電解質在具有高化學反應活性的鋰金屬電極界面上同樣存在不穩定性，例如，PAN具有高的電化學穩定窗口（≥4.5Vvs.Li/Li+），被認為可以與高電壓的正極相匹配，然而，由于-CN基團的存在，其與鋰金屬負極接觸時，會在界面發生反應形成鈍化層，嚴重削弱電池性能。此外，聚合物基固態電解質熱穩定性和機械穩定性較差，限制了其在固態電池中的實際應用。
理想的固態聚合物電解質應具備以下優點：①室溫離子電導率高；②鋰離子遷移數高，以減小濃差極化，提升電池倍率性能；③在電極/電解質界面有良好的界面接觸；④電化學穩定性好，以匹配高壓正極材料，提升電池能量密度；⑤力學穩定性好，可耐受機械加工，緩沖充放電過程中的電極體積變化和抑制鋰枝晶生長；⑥熱學穩定性好以耐受環境變化。
因此，設計、合成綜合性能優異的固態聚合物電解質，并能夠在電解質/電極界面處構建快速穩定的離子傳輸通道，對固態電池的發展具有重要意義。
針對固態電池相關的技術、材料、市場及產業等方面的問題，中國粉體網將于12月20-21日在常州舉辦第四屆高比能固態電池關鍵材料技術大會。為致力于固態電池技術開發的企業，科研院校，以及電動車、儲能、特種應用等終端企業提供信息交流的平臺，開展產、學、研合作，共同推動行業發展。屆時，華中科技大學許恒輝研究員將作題為《固態聚合物電解質的設計與性能調控》的報告。報告將圍繞固態電解質的本征性能指標以及電解質與正極和負極的界面問題，提出鋰金屬保護、負極界面緩沖層的構筑和高壓正極包覆等界面強化策略，提高固態電池的臨界電流密度、抑制鋰枝晶的生成并提高正極/電解質的界面電化學穩定性，最終實現具有高安全、長循環、高能量密度等優異電化學性能的固態電池。
專家簡介：
許恒輝，華中科技大學研究員、博士生導師，華中學者、湖北省海外高層次人才“百人計劃”和“武漢英才”產業領軍人才入選者。于2015年獲得華中科技大學博士學位，隨后在美國得克薩斯大學奧斯汀分校JohnB.Goodenough教授課題組從事先進電化學儲能材料與器件的基礎與應用研究。作為骨干成員參與了美國能源部“ARPA-E”以及“BMR”重大科研項目。在固態鋰電池領域取得了一系列學術成果：在國際學術期刊上發表論文共40余篇，其中包括Proc.Natl.Acad.Sci.，Adv.Mater.，Adv.EnergyMater.，Angew.Chem.Int.Ed.等。
參考來源：
周曉燕等.聚合物基固體電解質研究進展
周偉東等.固態鋰電池聚合物電解質研究進展
胡方圓等.聚合物固態電解質的研究進展
（中國粉體網編輯整理/文正）
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