上海科技大学刘巍AFM：纤维增强超薄固体聚合物电解质实现高能量密度固态锂金属电池

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-02 07:50

正文

固态锂金属电池因其具有高能量密度的潜力和高安全性，被认为是下一代储能设备之一。同时，聚合物电解质凭借其高柔韧性、优异的界面兼容性和可加工性，在锂金属电池中具有良好的应用前景。当固体电解质的厚度降低到小于30 µm时，所组装的电池有望展现出超过400 Wh kg⁻¹的能量密度。因此，制备超薄聚合物电解质，对于实现高能量密度的固态锂金属电池具有重要意义。

近日，上海科技大学物质学院刘巍课题组开发了一种超薄（10 µm）聚合物电解质（PAN fiber-PEGDA）。该聚合物电解质在室温下展现出卓越的离子电导率和高机械强度。基于PAN fiber-PEGDA的软包电池（Li||20.3 mg cm^-2 NCM811）能够实现380 Wh kg⁻¹，936 Wh L⁻¹的能量密度。相关工作以题为“Fiber-reinforced ultrathin solid polymer electrolyte for solid-state lithium-metal batteries”的论文发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上。论文的通讯作者为上海科技大学刘巍教授，论文第一作者为上海科技大学博士研究生张亦凝。

图1. 超薄聚合物电解质PAN fiber-PEGDA示意图。

【工作要点】

本工作通过将静电纺丝聚丙烯腈（PAN）膜与聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）聚合物电解质结合，经过原位聚合得到超薄聚合物电解质PAN fiber-PEGDA，厚度仅为10 µm。PAN纤维框架作为支撑层，能够显著提升电解质的机械强度（模量>100 MPa）。

图2. 超薄聚合物电解质理化性能表征

图3. 超薄聚合物电解质电化学性能

此外，该聚合物电解质还可以实现更稳定的富含Li₃N的SSE（固体电解质）/Li界面，从而增强与锂负极的界面相容性，有效地抑制了锂枝晶的生长。锂对称电池（Li||Li）展现出长循环寿命和较低的极化。

图4. 超薄聚合物电解质与锂金属相容性

图5. 超薄聚合物电解质半电池和全电池性能

【结论】

总结来说，我们通过聚丙烯腈（PAN）纤维增强的方法，制备了一种厚度仅为10 µm的超薄聚合物电解质。该电解质的室温离子电导率可达8.8×10^-4 S cm^-1。同时，PAN膜为电解质提供了良好的机械强度。其临界电流密度达到了1.04 mA cm^-2。此外，它能够实现更均匀且平滑的锂沉积，富含Li₃N的固体电解质/锂（SSE/Li）界面展现出优异的锂兼容性，从而有效地抑制锂枝晶的生长。此外，基于这种超薄电解质组装的全电池软包电池实现了380 Wh kg⁻¹的能量密度。本研究为纤维增强型聚合物电解质在高性能全固态锂金属电池中的实际应用提供了新的思路。