在高压锂金属电池中采用固态聚合物电解质（SPE）是实现高能量密度和安全性的一种有前景的策略。然而，SPE面临着诸如不理想的机械强度、低离子电导率和不兼容的高压界面等挑战。
近日，华中科技大学黄云辉教授、李真教授开发了一种具有分子交联结构的新型交联聚醚聚氨酯基SPE，以实现高通量Li+转运途径。具体而言，研究者引入氨基改性的锆卟啉基金属有机骨架（ZrMOF）作为多位点交联节点和聚合物扩链剂。SPE中丰富的醚/酮氧和路易斯酸位点实现了高的Li+电导率（30°C时为5.7×10−4 S cm−1）和Li+转移数（0.84）。SPE的互穿交联结构具有很强的机械强度，因此促使Li||Li对称电池的循环寿命达到了创纪录的8000小时。此外，ZrMOF的高结构稳定性和SPE中丰富的吸电子氨基甲酸酯/脲基，具有高氧化电位（5.1 V），使LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||Li电池在0.3 C下500次循环的放电容量达到182 mAh g−1。另外，值得注意的是，采用高负载阴极（≈4 mAh cm−2）在1.5-Ah的软包电池中获得了446 Wh kg−1的高能量密度，这表明当前的SPE在固态高压锂金属电池中的实际应用前景广阔。
文章要点：
1. 该工作开发了一种新型的有机-无机交联聚醚聚氨酯电解质，它与氨基修饰的锆卟啉基MOF（ZrMOF）和聚乙二醇（PEG）短链共价连接。
2. 分子桥接纳米结构聚合物框架为Li+离子的高速传输提供了网络。由于ZrMOF用作多位点交联剂和聚合物扩链剂，具有丰富氢键网络（氨基甲酸酯和脲基）的交联SPE具有高机械强度（76.5 MPa）和优异的机械韧性（≈2050%）。
3. 丰富的醚/酮氧和路易斯酸位点有助于SPE获得超高的离子电导率（30°C时为5.7×10−4 S cm−1）和Li+转移数（0.84），并使Li|SPE|Li对称电池的循环寿命达到8000小时。
4. 具有10 mg cm−2高阴极质量负载的LiFePO4|SPE|Li电池，具有优异的循环稳定性，在1000次循环后容量保持率为95.8%，并且具有高倍率性能。此外，交联聚醚聚氨酯基SPE的高氧化电位（5.1 V vs Li+/Li）使NCM811|SPE|Li电池具有182 mAh g−1的大放电容量（500次循环后容量保持率为76.0%），这归因于良好的多界面稳定性和抑制了阴极的微观结构退化。并且，值得注意的是，具有高阴极负载（≈4 mAh cm−2）的1.5 Ah软包电池可提供446 Wh kg−1的高能量密度，这突显了这种新型SPE在固态高压锂金属电池实际应用中的巨大潜力。
图1 聚合物电解质制备示意图
图2 聚合物电解质的结构表征
图3 SPE与锂阳极之间的界面电化学稳定性
图4 固态软包电池的电化学性能和界面表征
https://doi.org/10.1002/adma.202409269
