固态聚合物电解质（SPEs）要求具有高离子电导率，并与电极紧密接触，以实现高性能锂金属固态电池。然而，离子迁移能力差、抗氧化能力低、锂枝晶形成等巨大挑战仍未得到解决，严重制约了其实际应用。
2024年11月13日，电子科技大学熊杰教授、张亚刚教授团队在Advanced Energy Materials期刊发表题为“Molecular Crowding Solid Polymer Electrolytes for Lithium Metal Battery by In Situ Polymerization”的研究论文，团队成员Zhou Mingjie为论文第一作者，Chen Wei、Chen Dongjiang、张亚刚教授、熊杰教授为论文共同通讯作者。
该研究采用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和1,2-二甲氧基乙烷（DME）为前驱体，通过原位聚合，合理设计了一种具有分子拥挤特征的新型固态聚合物电解质。值得注意的是，制备的SPE将电化学窗口扩展到4.7 V，室温下锂离子转移数高达0.55，离子电导率高达3.6 mS cm-1。因此，锂对称电池在0.5mA cm-2的电流密度下实现了超过3000小时的稳定循环，且无锂枝晶。重要的是，这种设计提供了固态聚合物电解质与多孔阴极和锂阳极的紧密接触，使组装的卷绕型固态软包电池在室温下具有出色的循环稳定性，在室温下循环超过340次，保持率为81.7%。对大规模电池生产的广泛实用技术具有很好的适应性，为固态聚合物锂金属电池的未来发展提供了新的解决方案。
DOI：10.1002/aenm.202403082
研究人员设计了一种具有分子拥挤离子通道的SPE，其中聚乙二醇二丙烯酸酯作为具有大量供电子基团的聚合物链，与Li+和1,2-二甲氧基乙烷（DME）分子组成的配合物相互作用。拥挤效应通过减少非配位溶剂分子的数量和在锂金属阳极上形成有效的固态电解质界面来增强电解质的阳极稳定性。因此，SPE的锂离子电导率显著增加，并实现了高耐压特性。此外，这种原位液固固化过程有助于电极和电解质之间的润湿，产生具有最小微/纳米失配的集成电极/电解质结构。因此，SPE的电化学窗口提高到4.7V，Li-Li对称电池的循环性能接近3000h以上。对于全电池，该研究在室温下卷绕式电池在0.5C下经过340次循环后，实现了81.7%的容量保持率。
总之，通过紫外辅助原位聚合合成了一种新型SPE。在聚合过程中，PEGDA的固化产物使DME分子处于分子拥挤状态，建立了分子拥挤离子通道，各种光谱结果证明了这一点。SPE在固态聚合物电解质中形成的分子拥挤离子通道提供了Li+传输途径，从而促进了离子传导和0.55的高Li+转移数。此外，SPE具有优异的界面相容性，这对于固态电解质和电极界面上的离子传输至关重要。此外，该策略已成功应用于卷绕式电池组装技术，在室温和0.5C下循环340次后，实现了81.7%的容量保持率。该研究结果表明，具有原位形成的分子拥挤离子通道的SPE具有用作固态聚合物电解质的潜力，并为大规模制备固态锂金属电池提供了新方向。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
