固態電池因其潛在的高能量密度和高安全性，成為下一代電池的重要發展方向之一。其中，聚合物固態電解質因輕質、低成本、柔韌性和易于加工等特點，有望提高電池的能量密度和促進規模化生產。近日，中國科學院金屬研究所先進碳材料研究部科研人員在聚合物固態電解質領域取得新進展。研究人員在高度結晶的聚環氧乙烷（PEO）塊體中發現了離子的自適應擴散現象，提出了使用高結晶PEO塊體作為中間層的固態電解質組（SSE-Group）策略，有效抑制了由鋰絲生長引起的固態電池軟短路，提升了電池性能。研究成果近期以“Adaptive ion diffusion in a highly crystalline pure polymer for stable solid-state batteries”為題發表于Energy Storage Materials,DOI:10.1016/j.ensm.2024.103941。

該研究發現了在高度結晶的PEO材料中，多種關鍵的能量存儲離子，如Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Zn²⁺和Al³⁺的離子自適應擴散現象（圖1），在此基礎上，發展了一種穩態測量方法（SSMM），克服了傳統電化學阻抗譜法無法測量高結晶純PEO材料中離子傳導能力的局限性，從而量化了PEO塊體材料在不同溫度下的離子擴散系數。結果表明，PEO材料發生自適應擴散后仍然保持高結晶特性，同時形成連續的離子傳輸通道。利用這個發現，提出了基于高結晶PEO塊體作為中間層的多層電解質膜組策略，有效抑制了由鋰絲生長引起的電池軟短路，實現了優異倍率和循環性能的固體電池（圖2）。這些發現深化了對高結晶聚合物中離子傳輸機制的認識，為開發更安全、更高效的能源存儲系統提供了新見解。

金屬所博士畢業生徐勝軍為論文第一作者，碩士研究生張柯欣為共同第一作者，李峰研究員和孫振華研究員為論文的通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的支持。

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圖1. 高結晶PEO塊體中的離子自適應擴散現象

圖2. 固態電池性能