近日，瑞士联邦材料科学与技术研究所的付丞寅研究员（第一、通讯作者）等人设计了一种基于离子液体聚合物的固态电解质（PIL-IL），离子液体聚合物提供了极好的锂金属兼容性、高热稳定性（300 °C）和不可燃性，该聚合物电解质还拥有高室温离子电导率（0.8 mS cm-1）和高氧化稳定性（5.4 V）。此电解质可以与锂金属负极和锂离子电池中高电压、高容量的正极材料（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）与LiMn1.5Ni0.5O4（LNMO））相匹配，并且不要求对活性材料进行任何表面处理，实现在室温条件下具有高容量、高电压、高循环稳定性和高安全性的固态锂金属电池。此外，该聚合物电解质还具有极好的加工性和较低的成本（低于600元人民币每千克），因此非常利于实现产业化。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上。
如图2所示，40PIL-IL不仅具有高离子电导率（0.8 mS cm-1 @25 °C）与高氧化稳定性（5.4 V），还拥有较高的锂离子迁移数（0.44）、高热稳定性（300 °C）与不可燃性。
图3. Li|PIL-IL|Li电池在（a）0.1、（c）0.2、（e）0.5 mA cm-2室温条件下的循环曲线与相对应的循环过程中的阻抗（b）、（d）、（f）；电池在0.1 mA cm-2室温条件下循环200 h后（g）锂金属电极表面与（h）锂金属-电解质界面的SEM照片；循环后锂金属表面SEI膜的XPS（i）定量分析、（j）F1s、（k）C1s、（l）O1s谱图。
在室温条件下，Li|PIL-IL|Li电池在0.1、0.2、0.5 mA cm-2电流密度下均展现了优异的循环性能（图3a-f）。电池在0.1 mA cm-2循环200 h后的锂金属电极无枝晶生长（图3g）并与聚合物电解质保持着极好的接触（图3h）。XPS定量分析（图3i）与图谱显示（图3j-l），循环后的锂金属电极表面存在一层均匀的SEI膜，其主要组分为LiF。富LiF SEI膜保障了锂金属-电解质界面的稳定性与锂金属电沉积的均匀性。
图4. NMC811|PIL-IL|Li电池（a）整体截面、（b）NMC811-电解质界面、（c）锂金属-电解质界面的SEM照片；NMC811|PIL-IL|Li电池在0.1 mA cm-2室温条件下的（d）循环曲线与（e）充放电曲线；LNMO|PIL-IL|Li电池在0.1 mA cm-2室温条件下的（d）循环曲线与（e）充放电曲线。
在NMC811|PIL-IL|Li纽扣电池中，聚合物电解质展现了与正、负极电极材料极好的接触（图4a-c）。在室温条件下，NMC811|PIL-IL|Li电池在0.1 mA cm-2充电到4.4 V的情况下达到了162 mAh g-1的容量（图4d、e），600次循环后容量保持率为72%，平均库伦效率高达99.9%。LNMO|PIL-IL|Li电池在充电到5 V的情况下达到了132 mA h g-1的容量（图4f、g），300次循环后容量保持率为76%，平均库伦效率达到了98.3%。
付丞寅研究员，瑞士联邦材料科学与技术研究所（瑞士联邦理工学院及研究所联合体）。博士毕业于美国加州大学河滨分校；毕业后于美国劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后工作。研究方向聚焦于全固态电池、锂金属电池与锂硫电池。近年来以第一作者身份在Nature Materials, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters, ACS Nano等杂志上发表论文；以第一发明人获得授权欧洲专利一项。
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