北京大学深圳研究院新进展：高性能聚合物固态锂硫电池

随着电动汽车技术，网格储能和便携式电子设备的发展，对具有高性能的先进电池的需求与日俱增。锂硫(Li-S)电池由于其理论能量密度高(2600 Wh kg−1)、成本低、硫的地球丰度高而引起了人们的广泛关注。

然而，尽管在锂硫电池中使用金属锂负极明显比在锂离子电池中更安全，但锂枝晶的形成仍然会导致电池短路，以及随之而来的安全问题。开发不含易燃液体的有机电解质的固体锂离子电池是克服这些挑战的一条有效途径。

在各种固态电解质中，聚（环氧乙烷）(PEO)因其良好的成膜能力、柔性、界面相容性好等优点而得到了广泛的研究。然而，低离子电导率(室温下10-6-10-7 S cm−1)的内在缺点限制了其在商业相关电池中的应用。PEO的半结晶性质阻碍了连续的锂离子迁移途径的形成。此外，PEO电解质的机械强度和硬度不够高，不足以抑制锂枝晶的生长，导致在相对较低的电流密度下发生短路。

此外，PEO具有与聚醚液体电解质（如二甲氧基乙烷）类似的分子结构，可以溶解多硫化锂，并允许多硫化物穿梭效应的发生，这是锂硫电池性能衰减的一个重要驱动因素。因此，基于PEO的固态锂硫电池通常会出现快速容量衰减和低库仑效率，特别是在接近熔化温度（60摄氏度）的温度下运行时。

已经提出了许多策略来提高PEO基电解质的整体性能，如创建复合固体电解质，优化锂盐，加入陶瓷或无机纳米颗粒作为填料，和引入新型聚合物复合材料，或准离子液体等等。不幸的是，很少有策略能够减轻多硫化物在PEO聚合物中的穿梭，或消除锂枝晶，限制了这些固体聚合物电解质(SPEs)的有效性。

本征微孔隙率聚合物(PIMs)是一类具有刚性和扭曲性螺旋中心的微孔聚合物材料。存在丰富、稳定、相互连接的微孔，意味着PIMs被广泛应用于气体吸附、分离、和电子器件。它们还提供了刚性和柔性，因为它们是具有刚性链的有机材料。尽管如此，它们在储能领域的应用却很少被报道。

在本工作中，北京大学深圳研究院Pan Feng课题组将PIMs与基于PEO的锂硫电池电解质结合形成具有高浓度的固体聚合物电解质(SPE)。

PIMs作为插入PEO电解质形成复合固体电解质的框架，有效地提高了PEO的机械强度。该SPE可以抑制锂枝晶的生长，并且内置的框架降低了PEO的结晶度，增加了锂离子的电导率。此外，PIM-1中的亲电1,4-二氰嘌呤官能团由于其高结合能，有效地捕获了多硫化物，从而阻碍了多硫化物的穿梭效应。

该聚合物固态锂硫电池表现出优异的速率性能和循环稳定性。