图 单锂离子导电含氟聚合物利用交替序列结构促进锂离子迁移
在国家自然科学基金项目（批准号：21971044）等资助下，复旦大学陈茂教授课题组与昆山杜克大学林欣蓉研究员、美国麻省理工学院Yang Shao-Horn教授合作，在设计合成全固态聚合物电解质研究方面取得进展。研究成果以“聚合物序列调控助力固态锂电池（Sequencing polymers to enable solid-state lithium batteries）”为题，于2023年10月16日在线发表于《自然•材料》（Nature Materials）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01693-z。
近年来，全固态锂金属电池由于其高能量密度、高安全性等优点引起广泛关注，但传统液态电解质存在易泄漏、易燃易爆等风险，难以用于全固态锂金属电池。聚合物电解质具备高（电）化学稳定性、可加工性等优势，是实现全固态锂金属电池的关键材料之一。聚合物电解质主要包括锂盐-聚合物共混体系和单锂离子导电聚合物体系，然而，已有报道的体系存在室温电导率低、限制锂离子高效传输的局限，成为发展全固态锂金属电池的主要瓶颈之一。
针对这个挑战，上述研究团队基于陈茂课题组发展的光催化含氟单体活性共聚合体系，精准合成了系列具有交替序列结构的单锂离子导电含氟共聚物。在这类共聚物中，含锂盐的离子基团与烷基醚侧链呈交替序列结构分布，一方面能够利用电中性侧链在离子基团之间形成间隔，抑制离子簇的产生，另一方面利用醚氧基团与锂离子配位，促进锂离子的解离与迁移，并通过聚合物骨架束缚阴离子的运动（图）。研究团队发现，在无任何添加剂的情况下，这类交替序列含氟共聚物的室温锂离子电导率相对于其他序列结构（如均聚、无规、嵌段等）提高了1至3个数量级，锂离子迁移数超过0.9，达到了液态聚乙二醇电解质的锂离子电导率水平。以此类聚合物作为全固态聚合物电解质，研究团队实现了超过1500小时的室温锂剥离/沉积循环和可逆的固态锂金属电池室温充放电循环。