《AEM》：超薄非对称固态聚合物电解质助力宽温高压锂金属电池

为提高固态锂金属电池（SLMB）的能量密度，人们非常需要能够与高电压正极兼容的固态电解质。然而，由于其有限的内部内部能隙，没有任何单相聚合物或陶瓷实例能够同时表现出强大的电化学稳定性和合理的锂兼容性。

近日，中科院过程所张锁江院士、张海涛研究员提出了一种新型的不对称固态聚合物电解质（AMSE），其具有量身定制的锂离子传输机制。具体而言，AMSE由高压层（HVL，聚丙烯腈/离子液体[IL]）和锂兼容层（LCL，聚（偏氟乙烯-共-六氟丙烯）/UiO-66-SO3Li）组成。随着IL的引入，HVL表现出一种Li+的车辆输运机制，实现了特殊的电化学稳定性和降低的界面电阻。此外，由于阴离子和UiO-66-SO3Li之间的复合作用，在LCL中实现了结构扩散机制，在仿生离子通道中实现了准单离子迁移。

因此，所提出的不对称结构与传输机制相结合，导致了电解质中电势和Li+的梯度分布，从而实现了稳定的Li+通量，这一点被COMSOL-Multiphysics证明。结果，基于AMSE的SLMB和大尺寸软包电池（Li/LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2，3.27 mAh cm-2）在4.3V的电压下从室温到100℃下均显示出优异的循环稳定性。总体而言，这种促进传输机制的策略有望为设计具有高能量密度的下一代SLMB提供新的途径。

文章要点：

1. 这项工作合理地设计并成功地制备了一种具有不对称结构和可调节离子传输能力的新型超薄固态聚合物电解质。

2. 作者通过一系列COMSOL-Multiphysics和Gaussian-Lorentzian拉曼分析研究了Li+在高压层（HVL）和锂兼容层（LCL）中的传输机制，结果直接证实，非对称结构结合了HVL中的Li+车辆传输机制和LCL中的结构扩散机制。多种传输机制的结合不仅促进了离子通量，并在界面处产生了更稳定的电势，还导致了Li+的梯度分布。

3. 因此，Li/Li对称电池在0.2 mA cm-2的条件下表现出1200小时以上的卓越循环稳定性。此外，经过优化的AMSE可以在宽温运行（室温到100℃）和4.3V以上的电池（Li/NCM811）中实现卓越的循环稳定性。此外，高压Li/NCM811软包电池具有出色的循环性能，即使在极端条件下也能稳定工作。

图1 不对称固态聚合物电解质的设计

图2 AMSE的表征和电化学性质

图3 对称电池性能和SEI分析

图4 锂金属全电池性能

图5 软包电池性能

封面来源：图虫创意