近日，材料學(xué)院青年教師張盼盼在固態(tài)聚合物離子導體彈性體研究的基礎上(Advanced Materials, 2021, 33(31), 2101396, ESI高被引論文)提出了一種雙重鍵交聯(lián)策略，設計并制備了同時(shí)具有高離子電導率、優(yōu)異回彈性和可回收性的固態(tài)聚合物電解質(zhì)。相關(guān)成果以“A Dual-Bond Crosslinking Strategy Enabling Resilient and Recyclable Electrolyte Elastomers for Solid-State Lithium Metal Batteries”為題，發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《德國應用化學(xué)》 (Angewandte Chemie-International Edition，簡(jiǎn)稱(chēng)Angew. Chem.)。
固態(tài)鋰金屬電池被認為是最有前途的下一代高能量密度電池。然而，電極-電解質(zhì)界面的固-固接觸問(wèn)題是固態(tài)鋰電池的一大挑戰，并且，鋰金屬電極在充放電過(guò)程中伴隨著(zhù)大的體積形變，會(huì )進(jìn)一步加劇該問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)具有彈性變形能力、且回彈性?xún)?yōu)異的聚合物固態(tài)電解質(zhì)，有望在鋰金屬的循環(huán)沉積-剝離反應過(guò)程中，保持電極-電解質(zhì)界面的良好接觸，提高電池性能。此外，開(kāi)發(fā)可回收的固態(tài)電解質(zhì)材料對鋰電池產(chǎn)業(yè)的可持續發(fā)展也至關(guān)重要。
然而，聚合物固態(tài)電解質(zhì)的力學(xué)彈性、離子導電性、以及可回收性之間存在著(zhù)本征的相互制約關(guān)系。例如，小分子的塑化劑可以提高導電性，但會(huì )增加蠕變或塑性變形，降低回彈性能；強的共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò )可以提高彈性，但會(huì )降低導電性，且使得材料難以回收。因此，亟需通過(guò)分子結構設計，解耦聚合物固態(tài)電解質(zhì)的這些耦合關(guān)系。
圖1：SPEs的雙重鍵交聯(lián)策略
雙重鍵交聯(lián)策略是指在聚合物固態(tài)電解質(zhì)的交聯(lián)點(diǎn)包含強度不同的兩種鍵合作用，弱的分子內氫鍵可以在力學(xué)加載下破壞，釋放加載時(shí)自發(fā)恢復，賦予材料高的彈性變形能力和回彈性能；較強的共價(jià)鍵合作用在應力下維持承重共價(jià)網(wǎng)絡(luò )，但可以通過(guò)化學(xué)方法破壞并恢復，賦予材料可回收性能；軟的聚合物鏈段則提供鋰離子的解離和傳導能力，賦予材料高的離子導電性能?；谠摬呗?，設計了具有半縮醛胺動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò )的聚合物固態(tài)電解質(zhì)，實(shí)現了高的離子電導率，達0.2 mS cm-1（25 ℃），回彈模量為0.642 MJ m-3，拉伸-回彈曲線(xiàn)表明其有著(zhù)優(yōu)異的回彈性和極低的滯后比，在拉伸-回彈曲線(xiàn)的耐久性測試中，首圈的回滯比僅為0.98%，1000圈后僅為2.03%；最后，驗證了該固態(tài)電解質(zhì)的可回收性能。
材料學(xué)院青年教師張盼盼和中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所蒲雄研究員為共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金青年項目和面上項目(52303367、52173274)的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202404769
