单离子导体聚合物电解质及其电池应用

单离子导体聚合物电解质及其电池应用

李俊焕（通信作者）1,2，杨成林2，李子坤 1,2

（1.贝特瑞新材料集团股份有限公司中央研究院，广东 深圳 518106；2.深圳市贝特瑞新能源技术研究院有限公司，广东 深圳 518118）

摘要：本文综述了单离子导体聚合物固态电解质的性能特点和研发进展，主要内容包括聚合物固态电解质的特点、单离子导体聚合物电解质的优劣势与材料性能要求，以及不同单离子导体聚合物电解质材料的性质、对应的固态电池应用与研发进展，并分析了单离子导体聚合物固态电解质的未来研发趋势，并阐述其在新能源领域未来规模化应用的发展愿景。

关键词：单离子导体；聚合物固态电解质；锂电池

中图分类号：TM912

0 引言

固态电池用固态电解质替代闪点低易燃易爆且易泄露的电解液，能极大改善锂电池的安全问题。聚合物固态电解质具备结构可调、离子电导率大、与电极界面相容性佳、质轻柔韧等优点，但存在极化和副反应等问题，阻碍了其大规模商用。采用单离子导体聚合物电解质，是一个极佳解决方案。

1 单离子导体聚合物电解质

1.1聚合物电解质的特点与问题

聚合物固态电解质，具有较好的柔韧性和界面润湿性，能与电极保持良好界面接触，赋予固态电池充放电循环稳定性。目前聚合物电解质大多是双离子聚合物电解质，存在极化和副反应等问题，双离子电解质电导率是由阴阳离子共同组成的，高电导率并不一定意味着锂离子迁移效率高，实际上锂离子的迁移才是真正的有效电荷转移。

1.2 单离子导体聚合物电解质的优劣势与性能要求

过多的阴离子聚集在正极表面，在正负极之间产生了一个浓度梯度，这会使得电池内部产生一个浓差极化，导致较大的过电势，限制了锂离子电池能量密度和功率密度的提升。因此，在高的电导率下，若能保持高的迁移系数，对提升锂离子电池的能量密度意义重大。单离子导体聚合物电解质，将阴离子通过化学共价键固定在聚合物分子主链骨架，是一种极佳的固态电解质。

与传统的双离子聚合物电解质相比，单离子导体聚合物电解质具有更高的离子迁移数和良好的电化学稳定性，面临的主要问题是其锂离子电导率较低、合成难度大。为改善单离子导体聚合物电解质的锂离子电导率，对聚合物的结构设计提出了更多要求，设计合成出具有优异性能的单离子导体聚合物电解质，对于改善固态电池性能极为重要。

2 单离子导体聚合物电解质的研发进展与应用

目前较成熟的聚合物固态电解质，为环氧乙烷类高分子，但其离子偶极相互作用仍待优化。针对此问题，可通过低含量丁二腈增塑的3-磺酰（三氟甲磺酰）锂亚胺丙基甲基丙烯酸酯为原料，合成了一种新型单离子导体聚合物电解质，该单离子导体聚合物电解质具有高锂离子迁移数和高室温锂离子电导率。该固态电解质在-20至90℃的宽温度范围内，表现出较佳的倍率和循环性能[1]。

传统聚合物电解质的缺点是锂离子电导率低，对此，有相关报道基于大体积阴离子锂盐与链段设计，合成出一种兼具高锂离子电导率和高锂离子迁移数的单离子导体固态聚合物电解质，借助较大负电荷离域程度的阴离子和拥有合适配位结构的离子导电链段间的协同作用，该体系在室温下表现出高的锂离子电导率，并改善了固态电池的循环性能和安全性[2]。

在常见的聚合物电解质中，分子主链为碳基，使用硅基聚合物代替碳基聚合物的应用很少受到关注。对此，有报道通过简单的一步法反应合成出基于聚硅氧烷的单离子导体。如图1所示，当该聚硅氧烷单离子导体与聚偏氟乙烯共混时产生自支撑且柔性的聚合物电解质膜，制得的聚合物电解质膜表现出高度稳定的循环性能，对应的固态电池在不同温度下都能进行长循环，优于相应的液态电池[3]。

图1（a） 单离子导体聚合物电解质合成示意图；（b） 聚合物电解质的FT-IR光谱；（c） 混合但离子导体聚合物和偏氟乙烯的电解质膜照片。

由单离子导体聚合物电解质组成的锂电池往往应用于对能量密度和安全性要求极高的电池体系，因此对聚合物电解质的界面稳定性要求很高，这是一个巨大的挑战。有报道一种新的含有三氟甲基的单离子基团的单离子导体多嵌段聚合物电解质，制得的单离子导体聚合物具备自支撑、易加工性质，拥有较高的离子电导率、极限电流密度和电极稳定性[4]。

3 结论与展望

单离子导体聚合物电解质作为极具优异性能的固态电解质材料，相比常规的电解质具备很多性能优势，比如极高的离子迁移数和安全性。但是，单离子导体聚合物电解质在综合性能还有待全面提升，如何提高单离子导体聚合物电解质电导率等电化学性能、降低合成加工复杂度，是该材料领域研究的重点，这需要在聚合物分子结构的设计、合成路线的优化、电极与电解质界面乃至材料在电池的应用工艺等层面进行持续的开发和优化。

参考文献

[1]Wen K, Xin C, Guan S, et al.Ion–Dipole Interaction Regulation Enables High-Performance Single-Ion Polymer Conductors for Solid-State Batteries[J]. Advanced Materials, 2022,34(32):2202143.

[2]Li H, Du Y, Zhang Q, et al. Single-Ion Conducting Network as Rationally Coordinating Polymer Electrolyte for Solid-State Li Metal Batteries[J]. Advanced Materials, 2022,12(13):2103530.

[3]Liang H, Zarrabeitia M, Chen Z, et al. Polysiloxane-Based Single-Ion Conducting Polymer Blend Electrolyte Comprising Small-Molecule Organic Carbonates for High-Energy and High-Power Lithium-Metal Batteries[J]. Advanced Energy Materials, 2022,12(16):2200013.

[4]Dong X, Mayer A, Liu X, et al. Single-Ion Conducting Multi-block Copolymer Electrolyte for Lithium-Metal Batteries with High Mass Loading NCM811 Cathodes[J].ACS Energy Letters, 2023,8(2):1114-1121.

作者简介：李俊焕（1989-）男，汉族，广东，博士，高级研发工程师，研究方向：新能源新材料