余桂华教授《Angew》：打破认知！电子导电填料有助于稳定固态聚合物电解质！

通常不需要固态聚合物电解质中的电子传导，因为这会导致电子泄漏或能量损失，并且电极-电解质界面处的电子传导域会导致电解质的连续分解和短路问题。尽管有几项工作采用了电子导电填料，但讨论的重点是与聚合物的相互作用，电子导电的重要性尚未得到充分讨论或充分理解。

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授研究发现故意引入电子导电碳填料可以大大提高聚环氧乙烷（PEO）基固态聚合物电解质的稳定性和导电性，这为固态电解质中导电域的作用提供了新的理解。在此作者评估了固态聚合物电解质体系中导电域的局限性和益处，并讨论了通过致密的局部电场分布、增强的体介电性能和电荷转移来改善电解质物理化学性质的方法。结果，通过在常规固态聚合物电解质中有意引入导电域，可以实现稳定的循环寿命、低过电势和有希望的全电池性能。

文章要点：

1. 这项工作深入研究了电子导电填料对固态聚合物电解质的复杂影响，发现它们可以显著提高电池循环稳定性，并有望降低过电压。

2. 即使是少量的碳填料也可以提供大大增强的电解质性能，其背后的原因可能包括以下两种主要情况：（1）微观上，碳填料使局部电场分布致密化，并有助于更有效的电荷转移，以防止在颗粒边界处形成局部枝晶；（2）宏观上，增强的体相介电性能有助于扩展双层区域和盐溶剂化，以增强界面和体相电荷转移。

3. 在半电池和全电池的稳定电化学性能的支持下，模拟和表征也与作者提出的模型一致。电解质中的场模拟表明，导电颗粒周围的电场增强，但当填料颗粒不具有离子导电性时，颗粒边缘的离子流大大减少，以防止锂的局部沉积，颗粒的分散显著影响转移性能。

4. 介电测量还反映出导电碳颗粒显示出比二氧化硅填料更显著的介电性能。基于电极表面的双层理论，增加的介电性能也可以导致电极表面的离子浓度分布更加均匀，因此，可以限制归因于树枝状突起的离子耗尽的可能性。

5. 据悉，电解质中导电部分的重要性和理解长期以来被低估，这项研究可能为更好地设计固态电解质系统提供见解。

图1 导电填料对固态聚合物电解质（SPE）的影响示意图

图2 确定碳填充SPE体系的渗透阈值

图3采用含有1wt%Super P®碳填料的SPE的锂离子电池性能

图4 局部效应演示模拟

封面来源：图虫创意