固态电池因其潜在的高能量密度和高安全性，成为下一代电池的重要发展方向之一。其中，聚合物固态电解质因轻质、低成本、柔韧性和易于加工等特点，有望提高电池的能量密度和促进规模化生产。近日，中国科学院金属研究所先进碳材料研究部科研人员在聚合物固态电解质领域取得新进展。研究人员在高度结晶的聚环氧乙烷（PEO）块体中发现了离子的自适应扩散现象，提出了使用高结晶PEO块体作为中间层的固态电解质组（SSE-Group）策略，有效抑制了由锂丝生长引起的固态电池软短路，提升了电池性能。研究成果近期以“Adaptive ion diffusion in a highly crystalline pure polymer for stable solid-state batteries”为题发表于Energy Storage Materials,DOI:10.1016/j.ensm.2024.103941。
该研究发现了在高度结晶的PEO材料中，多种关键的能量存储离子，如Li+、Na+、K+、Mg2+、Zn2+和Al3+的离子自适应扩散现象（图1），在此基础上，发展了一种稳态测量方法（SSMM），克服了传统电化学阻抗谱法无法测量高结晶纯PEO材料中离子传导能力的局限性，从而量化了PEO块体材料在不同温度下的离子扩散系数。结果表明，PEO材料发生自适应扩散后仍然保持高结晶特性，同时形成连续的离子传输通道。利用这个发现，提出了基于高结晶PEO块体作为中间层的多层电解质膜组策略，有效抑制了由锂丝生长引起的电池软短路，实现了优异倍率和循环性能的固体电池（图2）。这些发现深化了对高结晶聚合物中离子传输机制的认识，为开发更安全、更高效的能源存储系统提供了新见解。
金属所博士毕业生徐胜军为论文第一作者，硕士研究生张柯欣为共同第一作者，李峰研究员和孙振华研究员为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。
图1. 高结晶PEO块体中的离子自适应扩散现象
图2. 固态电池性能
