研究人員開發出一種新型固態聚合物電解質，該電解質能幫助鋰金屬電池在寬廣的温度範圍內運行，同時保持高電壓性能。來自南方科技大學的團隊設計了一種交聯聚四氫呋喃（poly(THF)）電解質，以應對固態電池面臨的多項長期挑戰。這些電池被視為傳統鋰離子系統的有前景替代方案，因為它們用更安全的固態材料取代了易燃的液體電解質。然而，大多數固態聚合物電解質的離子導電性差、與電池電極的接觸不良，且在高電壓下穩定性有限。
現有的原位聚合聚醚電解質在與高電壓陰極結合時也容易降解，從而降低電池壽命和性能。
新型電解質顯著改善鋰金屬電池性能
為克服這些限制，研究人員開發了一種電解質，該電解質通過原位聚合過程直接在電池內形成。由於材料一開始是液體前驅物，然後固化，因此能夠與電池的電極緊密接觸，同時與當前鋰離子電池的生產方法相容。研究人員同時解決了三個主要問題：電壓穩定性、離子傳輸和電極保護。首先，他們用四氫呋喃取代了常用的單體 1,3-二噁烷。根據團隊的説法，這一變更改善了氧化穩定性，使電解質能夠承受高達 4.9 伏特的電壓。
接下來，他們引入了環氧乙烷二醇醚作為交聯劑。由此產生的三維結構為鋰離子運動創造了額外的通道，將離子導電性提升至室温下的 3.3 mS/cm。第三個成分是氟化鋰（LiDFOB）。該材料不僅作為鋰鹽，還啟動了聚合過程，並幫助在兩個電極上形成保護界面。該界面含有氟化鋰和硼氧氟化合物，能減少不必要的側反應，並幫助在反復充放電週期中穩定電池性能。「我們意識到，僅僅設計一種具有高氧化穩定性的聚合物通常意味著必須犧牲離子導電性，」作者表示。
「這就是為什麼我們引入交聯劑——在不妥協電壓穩定性的情況下，為鋰離子添加回跳躍位點。」
該電解質在使用富鎳的 NCM811 和鈷酸鋰陰極的鋰金屬電池中進行了測試。這些電池在高達 4.5 伏特的截止電壓下穩定運行了數百次充放電週期，且容量損失極小。研究人員還報告了在-40°C 至 55°C 之間的電池運行，這一範圍對於電動車輛、電動垂直起降航空器及電網規模的儲能系統可能非常有價值。「真正的驚喜來自 LiDFOB：它不僅僅是啟動聚合，還在兩個電極上建立了保護裝甲，」作者表示。
「這種綜合策略最終打破了穩定性和導電性之間的權衡。」
團隊還強調了這種方法的製造優勢。「由於我們的過程使用原位聚合，電池製造商無需全面改造生產線——這是一種適用於現有設備的即插即用解決方案，」作者表示。研究人員相信，這種設計策略最終可以適應其他電池化學，例如鈉基和鋰硫系統。該研究發表在《eScience Energy》期刊上。
