能源問題一直伴隨著人類的整個發展歷程，在人們不斷地追求便攜而又高效的能量儲存體過程中，鋰離子電池被認為是最重要的化學電源。然而，填充液態可燃的有機電解液容易引起電池燃燒和爆炸，因此開發新型安全的鋰電池刻不容緩。
1973年，研究者們發現聚氧化乙烯（PEO）和堿金屬鹽的絡合物呈現出離子導電性，在隨后的三四十年間聚合物電解質成為研究者們的熱門之選。由于PEO類聚合物室溫下易結晶，極大地抑制了鋰離子在其中的有效傳輸，往往需要在高溫下才能發揮作用，限制了材料的應用場景。長期以來人們為了降低PEO結晶度采取了一系列方法，主要可以分為兩類：一類是共混有機小分子增塑劑；另一類是設計聚合物結構。通過共混有機小分子可以降低PEO結晶度，作為增塑劑的小分子物質極性與運動能力較高，對鋰鹽溶解、解離能力更強，可以提升聚合物電解質的導電性能。但是會顯著降低電解質的力學強度和電化學穩定性。在聚合物結構設計中，人們發現星型結構聚合物能有效地降低結晶度并提高離子電導率。星型聚合物較線性來說粘度更低，低溫流動性更好，往往需要交聯來滿足實際需要的力學強度，而過度交聯會讓材料變脆難以加工使用，并降低離子電導率。因此制備兼具高離子電導率和力學性能的聚合物電解質成為當下的挑戰與熱點。
最近南開大學程方益和張望清教授團隊基于以上考慮，利用BAB型嵌段共聚物能在選擇性溶劑中自組裝形成物理交聯結構的特性，設計了一種準固態的星型刷型嵌段聚合物電解質（SBBCEs），合成路線見圖1。
圖1.SBBCEs的合成路線圖
該反應通過苯乙烯的可逆加成/斷裂鏈轉移聚合（RAFT），制備出具有BAB結構的[聚[聚（乙二醇）甲基醚丙烯酸酯]-b-聚苯乙烯]2型嵌段共聚物（PPEGMEA-b-PS）2，并利用PS嵌段的疏溶劑特性和PPEGMEA嵌段的親溶劑特性，使得兩親性BAB嵌段共聚物原位自組裝形成物理交聯的納米結構。如圖2所示，物理交聯的SBBCEs表現出良好的彎折性與力學強度。由于采用不易揮發的修飾有碳酸酯端基的聚乙二醇（CH3O-PEG-PC）來作為增塑劑和聚合介質，SBBCEs表現出超高的熱穩定性和電化學穩定性。此外含有碳酸酯端基的CH3O-PEG-PC對鋰鹽有較強的解離能力，使SBBCEs在室溫下離子電導率高達2.1×10-4S cm-1，能夠滿足鋰電池在室溫下的使用需求。
圖2. SBBCEs的力學性能，熱穩定性與電化學性能
該聚合物電解質在以磷酸鐵鋰（LiFePO4）和高鎳三元正極材料（LiNi0.89Co0.09Mg0.02O2）組裝的鋰金屬電池中均表現出優異的循環穩定性能，如圖3所示。以LiFePO4為正極時，在0.2C和0.5C下電池最大容量達到145.1和122.3mAh g-1，循環100圈后，電池容量保持率高達95%和91%，其中庫倫效率維持均在99%以上。由于SBBCEs具有5.6V超高的電化學窗口，該團隊還研究了在2.5-4.5V更寬電壓下的電池循環性能，發現0.2C下容量提升至150.8mAh g-1，循環50圈后，電池容量保持率高達98%，庫倫效率穩定在99%以上。即使對于電解質要求更高的LiNi0.89Co0.09Mg0.02O2電極來說，電池在0.2C和0.5C下也表現出良好的循環穩定性，其中最大容量分別達到159.7和133.0mAh g-1，循環50圈后，電池容量均接近95%，庫倫效率維持在99%以上。
圖3.以SBBCEs為電解質裝配鋰金屬電池的循環性能
文章作者為管天韻,錢思佳, 郭亞坤,程方益研究員，張望清教授和陳軍院士。通訊作者為程方益研究員, 張望清教授。
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