兼备高离子电导率与卓越机械性能的准固态复合聚合物电解质

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文献速读

结构电池因其将能量储存与机械承载功能结合，成为轻量化交通工具的关键技术，但电解质的电化学性能与机械性能的平衡仍是主要挑战。本研究制备了一种超强准固态复合聚合物电解质，通过原位自组装的金属有机框架修饰玻璃纤维（MOF@GF）嵌入聚电解质中，大幅提升了离子电导率（1.47×10-3 S/cm）和锂离子迁移数（0.56）。同时，MOF@GF显著增强了电解质的机械强度，拉伸强度达到48.6 MPa，杨氏模量为1.66 GPa。此创新设计为结构电池的工业化应用提供了新的解决方案。

正文导读

结构电池通过将能量储存与机械承载功能相结合，成为轻量化交通工具中的关键技术。然而，如何平衡电解质的电化学性能与机械性能仍是主要挑战之一。固态电解质因其优异的离子电导率、安全性和机械性能，成为了解决这一问题的有效方案。然而，在固态电解质中，固体聚合物电解质如聚环氧乙烷和聚偏氟乙烯，虽然具备化学稳定性和良好的可加工性，但电化学性能和离子电导率较低。无机固体电解质如氧化物和硫化物，虽然拥有卓越的离子电导率，但界面润湿性和高界面电阻仍是主要障碍。

本课题组通过将MOF原位组装到玻璃织物上，形成了具有高比表面积的3D玻璃纤维支架。将这种支架与聚电解质及少量液体电解质结合，开发出了一种准固态复合聚合物电解质（QCPE）（图一）。其离子电导率高达1.47×10-3 S/cm，机械强度高达48.6 MPa。基于这种QCPE构建的锂金属电池在2000小时的运行中展现出极高的稳定性，与LiFePO4和NCM811正极材料配合时，表现出色的循环性能。

                   图一 准固态复合聚合物电解质的制备过程。 

这一设计策略不仅为开发兼具高离子导电率与卓越机械性能的结构电池提供了新的研究思路，也展示了广泛的工业化应用前景。通过一系列电化学和机械性能表征，研究团队系统阐述了QCPE的卓越性能的来源：MOF@GF的引入不仅增强了电解质的机械强度，还通过其微孔结构和极性官能团的作用，策略性地促进了锂盐的解离并固定了TFSI−阴离子，显著提高了电解质的离子电导率，确保了锂金属电池在高电流密度下的稳定性和长循环寿命。为实现电解质与电极界面的兼容性，聚电解质的整合进一步促进了Li+的均匀流动和沉积，有效抑制了锂枝晶的生长。总之，这项工作巧妙地平衡了机械强度和离子电导率，并强调了自组装策略在改性高强度玻璃纤维中的潜力，为结构电池电解质的发展提供了有前景的解决方案。

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期刊简介

Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学，类型包括原创研究、综述、展望、评论等。期刊最新引文指标为1.41，最新影响因子为13.9（2023）。

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