自支撑硅氧烷-聚醚交联固体电解质的创新设计及其在高性能锂金属电池中的应用

【编辑推荐】针对固态锂金属电池(SSLMBs)中固体聚合物电解质(SPEs)离子电导率与机械性能难以兼顾的难题，研究人员通过溶胶-凝胶法制备了兼具刚性酰胺段与柔性Si-O/C-O链的自支撑硅氧烷-聚醚交联电解质(MSK-SPEs)。通过调控交联剂KBM603用量优化结构，最优样品MSK-SPE2室温离子电导率达5.16×10?4 S cm?1 ，锂对称电池可稳定循环1200小时，组装的LiFePO4 电池在60°C下展现150.8 mAh g?1 的放电容量。该研究为高安全、高能量密度SSLMBs提供了新材料设计策略。

　　

随着全球对高能量密度储能器件的需求激增，锂金属电池(LMBs)因其3860 mAh g^?1
的理论容量被视为下一代电池技术的希望。然而，传统有机液态电解质与锂金属的副反应及锂枝晶穿刺问题，如同悬在头顶的达摩克利斯之剑，严重威胁电池安全性。固态聚合物电解质(SPEs)因其不可燃、柔韧性好等优势成为研究热点，但聚醚基SPEs室温结晶性导致的低电导率(<10^?5
S cm^?1
)，以及硅氧烷基材料机械强度差的缺陷，长期阻碍其实际应用。

为破解这一"导电-强韧"不可兼得的困局，江苏瑞森高分子有限公司联合研究团队创新性地将刚性酰胺段与柔性硅氧烷-聚醚链段结合，通过溶胶-凝胶法设计出自支撑交联固体电解质(MSK-SPEs)。研究人员采用N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷(KBM603)作为交联剂，通过调控其含量(0.5-2.0 wt%)精确控制网络结构密度。令人振奋的是，当KBM603添加量为1.0 wt%时，MSK-SPE2展现出"双高"特性：室温离子电导率突破至5.16×10^?4
S cm^?1
，同时拉伸强度达1.8 MPa，远超同类交联电解质。电化学稳定性窗口拓宽至4.75 V，锂离子迁移数提升至0.42。更惊艳的是，其组装的锂对称电池在0.1 mA cm^?2
下实现1200小时无短路循环，创造了硅氧烷基SPEs的新纪录。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法制备MSK-SPEs，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)证实Si-O-Si交联网络形成；差示扫描量热法(DSC)分析显示玻璃化转变温度(T_g
)随交联度增加而升高；电化学阻抗谱(EIS)测试离子电导率；线性扫描伏安法(LSV)评估电化学窗口；原子力显微镜(AFM)观测锂沉积形貌；采用CR2032型纽扣电池测试LiFePO₄
全电池性能。

研究结果

1. 材料合成与结构表征
   FTIR中1080 cm^?1
   处Si-O-Si特征峰证实成功交联。MSK-SPE2的X射线衍射(XRD)谱显示完全非晶态结构，这是其高离子电导的结构基础。

2. 电化学性能优化
   交联度与电导率呈"火山型"关系：MSK-SPE2(1.0 wt% KBM603)电导率比未交联样品提高2个数量级，过量交联(2.0 wt%)则因网络过密导致电导率下降至3.21×10^?4
   S cm^?1
   。

3. 界面稳定性机制
   原位光学显微镜显示，MSK-SPE2界面处锂沉积呈致密层状，而对照组出现枝晶。AFM力曲线证实其弹性模量(1.4 GPa)可有效抑制枝晶穿刺。

4. 电池性能验证
   60°C下，Li/MSK-SPE2/LiFePO₄
   电池首圈放电比容量达158.3 mAh g^?1
   ，100次循环后容量保持率95.2%，库仑效率稳定在99.5%以上。

结论与展望
该研究通过"刚柔并济"的分子设计策略，首次实现了硅氧烷-聚醚SPEs自支撑性与高离子电导的协同提升。MSK-SPE2的5.16×10^?4
S cm^?1
电导率已接近商业化要求，其1200小时锂沉积稳定性为同类材料最高记录。更重要的是，研究揭示了交联度与电化学性能的定量关系，为后续材料设计提供理论指导。论文发表于《Materials Today Energy》，审稿人评价"该工作通过巧妙的化学设计解决了领域内长期存在的机械-导电平衡难题"。未来通过优化锂盐种类和三维结构设计，这类电解质有望在柔性电子设备和电动汽车领域实现应用突破。