固態鋰金屬電池具有高能量密度與高安全性特征，符合新一代儲能設備發展需求。固態聚合物電解質具備高電化學穩定性、高化學穩定性、易于加工等優勢，被認為是發展固態鋰金屬電池的重要材料。然而，在室溫無塑化劑條件下，鋰鹽-聚合物（如聚環氧乙烷，PEO）共混的傳統電解質體系仍存在鋰離子遷移數低、鋰離子電導率不足的瓶頸，導致電池在運行過程中容易發生極化，帶來了鋰枝晶生長、循環壽命短等一系列問題。
三十多年前，C.A.Angell等人提出了利用高鹽濃度增加電荷載流子數量進而促進離子傳導的策略。近年來，該策略在水性體系（如"鹽包水"電解質）和有機溶劑體系（如超高濃度電解質）中得到長足發展，但聚合物體系的相關進展卻明顯滯后。在高鹽濃度條件下，增強的離子間相互作用通常會限制鋰離子的解離和傳輸。雖然，通過設計小尺寸溶劑化鞘層或引入高熵溶劑分子等方式，緩解了液態電解質體系中離子聚集帶來的負面影響，但該難題在固態聚合物電解質體系中尚未得到解決。
最近，昆山杜克大學林欣蓉與復旦大學陳茂課題組合作，基于團隊前期發展的光催化可控共聚體系，設計合成了全新結構的磺酰亞胺陰離子型含氟聚合物，提出了“鹽包單離子聚合物電解質（SIP-in-salt）”的新思路。該工作利用“單離子側鏈-醚側鏈”交替序列聚合物，以及聚合物與鋰鹽的相似陰離子片段，在鹽濃度閾值范圍實現了SIP-in-salt電解質中鋰離子均勻、連續分布，形成了滲透聚集離子簇（p-AGGs），構建了高效的鋰離子傳輸通道。基于此，電解質材料達到了3.9 × 10-5 S·cm-1的室溫鋰離子電導率、鋰離子遷移數接近0.9，初步實現了室溫條件下的鋰剝離/沉積循環、鋰||磷酸鐵鋰和鋰||鎳鈷錳酸鋰電池充放電循環。
圖1.鋰離子分布與傳輸示意圖
本研究通過"SIP-in-salt"（鹽中聚合物溶劑化）電解質策略調控離子結構，實現了鋰離子傳輸機制從載體運輸到結構擴散的轉變，該研究成果為解決離子溶劑化與離子傳導之間相互制約的挑戰提供了新思路，有望推動固態電池的實際應用。該工作以“Single-ion polymer-in-salt electrolytes enabling percolating ionic nanoaggregates for ambient-temperature solid-state batteries”為題發表在《美國化學會雜志》（Journal of the American Chemical Society）。昆山杜克（Duke Kunshan）大學林欣蓉研究員與復旦大學高分子科學系陳茂教授為共同通訊作者，復旦大學高分子科學系碩士研究生王懷姣為文章第一作者。作者特別感謝國家自然科學基金委、復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程全國重點實驗室、蘇州市科技局的大力支持。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c01574
