固态聚合物电解质由于其高安全性、柔性、易加工性等特点在锂金属电池（LMBs）的研究中备受青睐。在众多固态聚合物电解质中，凝胶聚合物电解质（GPEs）兼具传统电解液和全固态聚合物电解质的优点，具有离子电导率高、电极/电解质界面灵活、无液体泄漏风险等特点，被认为是稳定LMBs极具潜力的电解质。
然而，电池循环过程中无法控制的锂枝晶生长和无限体积波动会弱化电极/电解质界面离子传输，加速电池失效，这就要求GPEs的聚合物骨架具有高度坚固的机械完整性。
近日，西安交通大学的丁书江教授和高国新副教授团队受“滑环”交联结构高韧性的启发，从聚合物微观结构设计角度制备了一种具有分子滑轮结构的滑动交联弹性体（SCE）骨架，借助滑动交联结构释放应力，从而赋予SCE骨架157.22 MJ m-3的高韧性。进一步将电解液锁定在SCE聚合物网络中构建出滑动交联凝胶聚合物电解质（SCGPE），显著提高了LMBs的长循环稳定性和高倍率性能。
在精心设计的SCGPEs中，聚轮烷（PRs）分子的环糊精（α-CDs）空腔提供了快速的Li+离子传输通道。由于尺寸效应，Li+（直径为0.76 Å）会沿着α-CDs（空腔尺寸为 4.7-5.3 Å）的空腔迁移，而TFSI-阴离子（直径为7.9 Å）则会被阻隔在外。同时，聚合物骨架中大量的电负性基团抑制了TFSI-阴离子迁移，促进了锂盐的解离。这两种效应共同提高了锂离子的传输效率，并诱导锂离子均匀沉积，在30 °C时实现了1.73×10-3 S cm-1 的高离子电导率和0.71的高锂离子迁移数。
最终，所设计的SCGPE赋予Li|SCGPE-3|LiFePO4（LFP）电池良好的结构稳定性、高的放电比容量、出色的长循环稳定性和高倍率性能。在1C电流密度下循环1000次后容量保持率为89.6%。即使在16 C的高倍率下循环，电池仍能提供79.2 mAh g-1的放电比容量，而且Li|SCGPE|LFP软包电池依然表现出卓越的循环稳定性、出色的柔韧性，以及对滥用条件的高耐受性。该工作为凝胶聚合物电解质的分子结构设计提供了新思路。
论文信息
Highly Tough Slide-Crosslinked Gel Polymer Electrolyte for Stable Lithium Metal Batteries
Xuetian Deng, Jing Chen, Xin Jia, Xinyu Da, Yuanjun Zhao, Yiyang Gao, Yang Gao, Xiangpeng Kong, Shujiang Ding, Guoxin Gao
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202410818
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