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聚丙烯腈（PAN）是一種很有前途的固態(tài)鋰金屬電池（SSLMBs）聚合物。然而，PAN基固體聚合物電解質(zhì)（SPEs）離子電導(dǎo)率低，Li/PAN界面不穩(wěn)定，阻礙了PAN在SSLMBs中的應(yīng)用。本文提出了一種開環(huán)聚合策略來重新配置基于PAN的SPE網(wǎng)絡(luò)。在Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12納米粒子的堿性物質(zhì)激發(fā)下，碳酸乙烯（EC）發(fā)生親核開環(huán)反應(yīng)，并與PAN鏈形成偶極子-偶極子相互作用。聚合過程重新配置了PAN段，使SPE具有快速的Li+傳輸通道，并增強(qiáng)了與Li金屬的界面穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在所設(shè)計(jì)的PAN基SPE中，25℃時離子電導(dǎo)率為2.96 × 10?4 S cm?1，Li+轉(zhuǎn)移數(shù)為0.56。具有重組PAN網(wǎng)絡(luò)的Li/Li對稱電池提供1.8
mA cm?2的高臨界電流密度，并在1200小時內(nèi)保持穩(wěn)定的鋰電鍍/剝脫。在2C下循環(huán)1000次后，具有PAN基SPEs的LiFePO4(LFP)/Li固態(tài)電池的高容量保留率達(dá)到90.1%。此外，LFP/Li和LiNi0.8Co0.1Co0.1O2/石墨軟包電池都具有良好的循環(huán)性能和安全性能。該策略為為SSLMBs設(shè)計(jì)基于PAN的高性能SPE提供了新的見解。該論文以 Ring-Opening Polymerization Reconfigures Polyacrylonitrile Network for Ultra Stable Solid-State Lithium Metal Batteries為題，發(fā)表在Advanced Energy Materials。通過LLZTO納米顆粒觸發(fā)的環(huán)開環(huán)聚合反應(yīng)，乙烯碳酸酯（EC）與PAN鏈形成了偶極-偶極相互作用，這一過程不僅提高了離子電導(dǎo)率，還增強(qiáng)了與鋰金屬的界面穩(wěn)定性。這一創(chuàng)新策略使得設(shè)計(jì)的PAN基SPE展現(xiàn)出了2.96
× 10^-4 S cm^-1的高離子電導(dǎo)率和0.56的鋰離子傳輸數(shù)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)PAN電解質(zhì)。文章中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，重新配置的PAN網(wǎng)絡(luò)在鋰/鋰對稱電池中展現(xiàn)出了1.8
mA cm^-2的高臨界電流密度，并能在1200小時內(nèi)保持穩(wěn)定的鋰鍍/剝離。這一成果對于提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。在LiFePO4 (LFP)/Li和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)/Li固態(tài)電池中，基于重新配置的PAN網(wǎng)絡(luò)的SPE展現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)和安全性能。這一成果不僅在理論上具有創(chuàng)新性，更在實(shí)際應(yīng)用中顯示出了巨大的潛力。Figure 1：環(huán)開環(huán)聚合策略的示意圖這張圖展示了如何通過LLZTO納米顆粒表面的堿性物種觸發(fā)EC的環(huán)開環(huán)反應(yīng)，并與PAN鏈形成偶極-偶極相互作用，從而重新配置PAN網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)離子傳輸通道和界面穩(wěn)定性。Figure
2：環(huán)開環(huán)聚合反應(yīng)的分子相互作用和電化學(xué)性能a)
Arrhenius圖展示了不同PAN基SPEs的離子電導(dǎo)率隨溫度變化的行為。b) 展示了PLE-SPE在鋰/鋰對稱電池中直接電流極化10
mV時的電流-時間曲線。c) 線性掃描伏安圖展示了不同PAN基SPEs的電化學(xué)穩(wěn)定性。d)-e)
分別展示了PLE-SPE的拉曼光譜和傅里葉變換紅外光譜，揭示了Li+和ClO4-在PAN基SPEs中的狀態(tài)。f)-h)
高分辨XPS光譜揭示了P-SPEs和PLE-SPEs中C 1s、N 1s和O 1s的結(jié)合能變化。Figure
3：環(huán)開環(huán)聚合反應(yīng)的機(jī)理和理論計(jì)算a)
提出了環(huán)開環(huán)聚合反應(yīng)的機(jī)理，解釋了如何通過LLZTO納米顆粒表面的OH-離子攻擊EC的中心C原子，促進(jìn)EC的環(huán)開環(huán)反應(yīng)。b)
展示了PAN、EC、ROEC-1、ROEC-2、PRE-1、PRE-2和重新配置的PAN網(wǎng)絡(luò)的HOMO和LUMO能級。c)-d)
展示了不同分子的電靜勢（ESP）和Li+與這些分子的結(jié)合能。Figure 4：界面穩(wěn)定性和鋰鍍/剝離行為a)
展示了重新配置的PAN鏈的電靜勢（ESP）。b) 展示了Li/Li對稱電池中P-SPE和PLE-SPE的EIS圖。c)
展示了Li/Li對稱電池中P-SPE和PLE-SPE的臨界電流密度。d)-e)
分別展示了Li/P-SPE/Li和Li/PLE-SPE/Li對稱電池中鋰金屬陽極的表面形貌。f) 展示了Li/Li對稱電池中鋰鍍/剝離行為。Figure 5：全電池和軟包電池的電化學(xué)性能a)-e)
展示了LFP/Li全電池和軟包電池在不同條件下的電化學(xué)性能，包括倍率性能、循環(huán)性能和在惡劣條件下的安全性能。這項(xiàng)研究不僅在理論上提供了新的見解，而且在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出了巨大的潛力。隨著環(huán)開環(huán)聚合技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們有理由相信，全固態(tài)鋰電池的未來將更加光明。讓我們一起期待這項(xiàng)技術(shù)在能源存儲領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用！文獻(xiàn)來源：https://doi.org/10.1002/aenm.202402795鋰電聯(lián)盟會長向各大團(tuán)隊(duì)誠心約稿，課題組最新成果、方向總結(jié)、推廣等皆可投稿，請聯(lián)系：郵箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。鋰電池自放電測量方法：靜態(tài)與動態(tài)測量法！
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