华科「国家杰青」、「长江学者」黄云辉教授团队，最新AM

华中科技大学黄云辉教授团队在Advanced Materials上发表固态聚合物电解质研究新成果华中科技大学黄云辉教授团队在固态聚合物电解质（SPE）领域取得了重要突破，通过在聚乙烯隔膜上沉积复合材料，制造出了声子散射减少的超薄固体聚合物电解质，显著提高了电池的热安全性。相关研究成果以“Phonon engineering in solid polymer electrolyte towards high safety for solid-state lithium batteries”为题发表在Advanced Materials上。一、研究背景锂离子电池中的传统液态电解质在极端条件下可能发生泄漏、燃烧甚至爆炸，这严重限制了其广泛应用。相比之下，固态聚合物电解质具有安全性高、重量轻、灵活性强、制造可扩展性好以及与电极粘附性好等特点，因此在实际应用中更为有用。然而，SPE也可能因副反应而分解，导致散热不均，甚至在充放电过程中烧毁。因此，提高聚合物固态电池的热安全性是广泛应用的巨大挑战。二、研究成果为了应对这些挑战，黄云辉教授团队通过在聚乙烯隔膜上沉积离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑二酰胺，EMIM:DCA）、聚氨酯（PU）和锂盐的复合材料，制造出了声子散射减少的超薄固体聚合物电解质（SPE）。这种坚固柔韧的隔膜基质不仅能减少电解液厚度，提高锂盐的迁移率，更重要的是它为SPE提供了相对规则的热扩散通道，并减少了外部声子散射。此外，EMIM:DCA的引入成功地打破了聚氨酯聚合物链的随机分子间吸引力，显著降低了声子散射，从而提高了聚合物的内部热导率。因此，获得的SPE的热导率提高了约6倍，有效抑制了电池的热失控。三、图文导读PPIL电解质组装SSLB的简便工艺示意图及热传导路径如图，PIL作为模型聚合物电解质渗入聚乙烯隔膜基体，制备出混合SSE（PPIL）。EMIM:DCA的引入打破了聚氨酯聚合物链的随机分子间吸引力，显著减少了声子散射，从而提高了聚合物的内部热导率。此外，坚固柔韧的分离基体保持了超薄SSE的结构完整性，不仅防止了内部短路和枝晶穿透，更重要的是减少了外部散射，提供了相对规则的通道。PPIL电解质的表征将用于传输Li+的聚合物电解质PIL渗入聚乙烯分离器基体，制备出混合SSE。PIL渗入后薄膜厚度略微增加到约13 μm。PPIL的离子电导率为1.61 mS cm-1，且其Ea拟合值低于PIL电解质。PPIL电解质的转移数最高，拉伸模量达到140 MPa，拉伸应变超过130%，表明PPIL聚合物基体的弹性模量非常优异。PPIL电解质电化学性能探究PPIL对称电池在0.2 mA cm-2的电流密度下稳定运行2000 h。循环300次后的锂金属表面没有出现明显的锂枝晶。LiF的存在可以有效地钝化反应表面，从而减少电解液的持续分解。此外，密度泛函理论表明PU/EMIM:DCA对TFSI-的吸附力更强。PPIL 电解质导热性能研究通过两种聚合物之间的氢键作用，形成了新的热传导途径，从而提高了聚合物的热传导率。热重分析结果表明PPIL的热重比最小，热稳定性优于PE和PIL。Li/PPIL/LFP全电池的电化学性能使用PPIL电解质组装的电池在不同电流密度下表现出稳定的放电容量，并在30 °C和0.2 C下保持稳定循环300圈。锂/PPIL/NCM811电池具有高库仑效率和出色的容量可逆性。Ah 级袋状电池在ARC测试中的内在安全特性使用PPIL后，袋式电池的T1和T2温度均显著升高，发生时间延迟，表明PPIL电解液使SEI更为稳定，且具有较高的热稳定性。同时，PPIL电解质可以有效抑制热失控。四、总结展望本研究采用一步溶剂蒸发法制备出了具有高导电性和高热稳定性的超薄PPIL聚合物电解质。PPIL电解质的超薄特性缩短了锂离子的扩散距离，降低了电池电阻。隔膜基质的坚固性和柔韧性增强了与电极的界面稳定性，并表现出很强的抗滥用能力。更重要的是，多孔隔板的加入不仅减少了外部散射，还为聚合物的热传导提供了相对规则的通道，因此PPIL的热传导率是PIL的6倍。结果显示，纽扣锂电池和袋装电池在室温下都能表现出稳定的循环性能，且PPIL电解液能有效抑制电池的热失控。该工作证明了声子工程能很好地优化充电电池的热安全性，为高能量密度的高安全性固态锂电池的设计原理提供了新的思路。文献信息Xuemin Shi, Zhuangzhuang Jia, Donghai Wang, Bowen Jiang, Yaqi Liao, Guohua Zhang, Qingsong Wang, Danqi He*, Yunhui Huang*, Phonon Engineering in Solid Polymer Electrolyte Towards High Saf