第一作者：林鼎昌、Pak Yan Yuen
通讯作者：崔屹 Reinhold H.Dauskardt
第一单位：斯坦福大学
研究亮点：
1. 发展了一种高弹性模量，高孔隙率和显着的大内表面积SiO2-气凝胶增强复合聚合物电解质（CPE）。
2. 构建了具有良好循环性和倍率性能的LiFePO4（LFP）-Li全电池的环境条件操作，证明具有高达2.1mAh cm-2的高面积容量的全电池。
开发全固态电池对于解决锂枝晶具有很重大的意义。首先，采用高模量固体电解质会从物理上阻碍Li枝晶的形成和穿透，避免内部短路。其次，用全固态电解质替代高度易燃的液体电解质将显着减少电池爆炸的风险。而且，除去液体电解质可减少副反应并抑制正极物质（S）向负极的穿梭效应。
固体聚合物电解质（SPE）具有显着的加工优势，但通常在机械上太脆弱并且无法有效抑制Li枝晶形成。而且，它们的锂离子电导率较低，比液态低至少2-3个数量级，限制了在室温下的高功率运行。事实上，在SPE中高离子导电率与高弹性模量通常难以兼得。这是因为高离子电导率通常需要低结晶度和更多可移动的聚合物链，这反过来使聚合物的机械强度大大降低。
有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授和ReinholdH. Dauskardt教授通过引入高硬度介孔SiO2气凝胶作为聚合物基电解质的骨架，成功地设计和制造了超强增强复合聚合物电解质（CPE）。
图1 材料合成和表征
这种新型复合电解质是由相互连接的SiO2气凝胶骨架和高导电交联PEO基电解质组成。相互连接的SiO2气凝胶不仅作为强化整个复合材料的强支柱，而且为强阴离子吸附提供了大而连续的表面，从而产生穿过复合材料的高导电通路。
研究人员认为，这项研究中的设计方法和相应的材料属性不同于通过机械共混陶瓷填料粉末，聚合物和锂盐制造的传统复合电解质）。连续SiO2气凝胶网络的预成形起着关键作用，并已被证明可以解决机械混合对应物中的主要问题，包括平庸的机械性能和离子导电性以及粉末团聚。
SiO2气凝胶的引入提供了至少三个优点：
1）首先，由于SiO2气凝胶骨架结构牢固，复合材料的力学性能较少依赖于机械弱聚合物，与传统聚合物电解质相比，其弹性模量至少高1个数量级。
2）大面积，均匀分布，超小SiO2结构域和有利的酸性表面最大化它们与Li盐的阴离子的相互作用并在复合物内形成连续的路径，这进一步有助于更高水平的盐离解和增强的离子导电率。
3）SiO2气凝胶/ PEO复合材料能够在高温下保持其机械刚度，与传统聚合物电解质在这些温度下硬度显着降低相反。
由于这些优点，获得了离子电导率的三倍增强，在30°C时达到约0.6 mS cm-1。复合电解质的机械性能表现出约0.43GPa的弹性模量，比交联的PEO基电解质的弹性模量高至少1个数量级，并且显着增强≈170MPa的硬度。
图2 离子电导率的表征
图3 热机械表征
此外，研究人员发现在延长的循环中没有内部短路，获得了显着的树枝状晶体抑制效果，获得了室温下具有良好循环性和倍率性能的LiFePO4 -Li全电池。即使在15℃的低温下，≈105 mAhg-1的高容量仍然保持在0.4C，还实现了具有高达2.1 mAh cm-2的阴极容量的全电池。
图4用SiO2-气凝胶增强的CPE进行对称和全电池循环。
这是斯坦福崔屹课题组与Dauskardt课题组的又一合作成果。崔组在电池材料的开发，纳米材料制备及电化学表征上有多年经验， 而Prof. Dauskardt是机械性质研究领域的权威专家。两个组的合作扩展了对于电池材料机械性能的研究。气凝胶增强的CPE代表了固态电解质的新设计原理，并为未来的全固态锂电池提供了机会。
参考文献：
A Silica‐Aerogel‐Reinforced Composite Polymer Electrolyte with High IonicConductivity and High Modulus，Dingchang Lin ，Pak Yan Yuen ，Yayuan Liu ，Wei Liu ，Nian Liu ，Reinhold H.Dauskardt ，Yi Cui
Advanced Materials 2018.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201802661
