中国粉体网讯 固态聚合物电解质具有良好的界面相容性，且制备方法简便，便于大规模生产。固态聚合物电解质主要分为3类：聚环氧乙烷（PEO）基、聚碳酸酯（PC）基和聚硅氧烷基固态电解质体系。目前，固态聚合物电解质在应用时仍然面临室温离子电导率低、电解质/电极界面接触差、电化学窗口窄等挑战，限制了它的发展。
固态聚合物电解质由聚合物基质与溶解在聚合物基质中的碱金属盐组成。聚合物基固态电解质的研究可以追溯至19世纪80年代，Wright等人首先提出聚氧化乙烯可以溶解碱金属盐并形成离子导电聚合物，由于阳离子与聚合物主链中醚氧原子的配位随着温度变化，聚合物的电导率呈现温度依赖性。之后，Vashisht和Armand将PEO和聚苯醚（PPO）等聚合物用于固态电解质与固态电池的制作中。自此，聚合物基固态电解质逐渐受到研究者的重视并被广泛研究。PEO由于具有较低的玻璃化转变温度，对锂盐的溶解能力强且具有较好的加工性能，成为目前聚合物基固态电解质中研究最为广泛的基体材料。此外，随着对电池高能量密度的需求越来越高，研究人员开发出了具有高电压稳定的聚磷腈（PPN）、聚碳酸酯（PVC、PTMC、PPC）、聚腈基丙烯酸酯（PECA）、聚丙二酰胺以及聚草酸酯（POE）等固态聚合物电解质。
固态聚合物电解质发展进程
研究表明，相比于陶瓷基固体电解质与电极之间的刚性固固接触，聚合物基固态电解质因具备柔性，可以在一定程度上减少界面电阻，但相比于液体电解质能够完全润湿正负极界面，其与电极界面的接触依然欠佳。此外，充放电过程中正、负电极的体积变化会进一步恶化界面接触，使得界面处的离子和电子传输受阻，极大地降低电化学反应动力学；另一方面，聚合物基固态电解质在电极界面上的稳定性欠佳，在循环过程中，容易在电极界面上发生氧化还原反应，引发电池失效。PEO基聚合物电解质的起始分解电压为3.8V（vs.Li/Li+），可以搭配低电压的磷酸铁锂（LiFePO4）正极使用，但当与高电压层状过渡金属氧化物正极（如LiCoO2、NCM、NCA等）相匹配时，其在正极/电解质界面上会发生严重的氧化反应，增加电池电阻，释放气体，严重影响电池的循环稳定性和安全性。聚合物基固态电解质在具有高化学反应活性的锂金属电极界面上同样存在不稳定性，例如，PAN具有高的电化学稳定窗口（≥4.5Vvs.Li/Li+），被认为可以与高电压的正极相匹配，然而，由于-CN基团的存在，其与锂金属负极接触时，会在界面发生反应形成钝化层，严重削弱电池性能。此外，聚合物基固态电解质热稳定性和机械稳定性较差，限制了其在固态电池中的实际应用。
理想的固态聚合物电解质应具备以下优点：①室温离子电导率高；②锂离子迁移数高，以减小浓差极化，提升电池倍率性能；③在电极/电解质界面有良好的界面接触；④电化学稳定性好，以匹配高压正极材料，提升电池能量密度；⑤力学稳定性好，可耐受机械加工，缓冲充放电过程中的电极体积变化和抑制锂枝晶生长；⑥热学稳定性好以耐受环境变化。
因此，设计、合成综合性能优异的固态聚合物电解质，并能够在电解质/电极界面处构建快速稳定的离子传输通道，对固态电池的发展具有重要意义。
针对固态电池相关的技术、材料、市场及产业等方面的问题，中国粉体网将于12月20-21日在常州举办第四届高比能固态电池关键材料技术大会。为致力于固态电池技术开发的企业，科研院校，以及电动车、储能、特种应用等终端企业提供信息交流的平台，开展产、学、研合作，共同推动行业发展。届时，华中科技大学许恒辉研究员将作题为《固态聚合物电解质的设计与性能调控》的报告。报告将围绕固态电解质的本征性能指标以及电解质与正极和负极的界面问题，提出锂金属保护、负极界面缓冲层的构筑和高压正极包覆等界面强化策略，提高固态电池的临界电流密度、抑制锂枝晶的生成并提高正极/电解质的界面电化学稳定性，最终实现具有高安全、长循环、高能量密度等优异电化学性能的固态电池。
专家简介：
许恒辉，华中科技大学研究员、博士生导师，华中学者、湖北省海外高层次人才“百人计划”和“武汉英才”产业领军人才入选者。于2015年获得华中科技大学博士学位，随后在美国得克萨斯大学奥斯汀分校JohnB.Goodenough教授课题组从事先进电化学储能材料与器件的基础与应用研究。作为骨干成员参与了美国能源部“ARPA-E”以及“BMR”重大科研项目。在固态锂电池领域取得了一系列学术成果：在国际学术期刊上发表论文共40余篇，其中包括Proc.Natl.Acad.Sci.，Adv.Mater.，Adv.EnergyMater.，Angew.Chem.Int.Ed.等。
参考来源：
周晓燕等.聚合物基固体电解质研究进展
周伟东等.固态锂电池聚合物电解质研究进展
胡方圆等.聚合物固态电解质的研究进展
（中国粉体网编辑整理/文正）
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