锂金属电池（LMBs）以其超高理论能量密度（3860 mAh g-1）被视为下一代储能技术的领军者，但液态电解质的易燃性和热失控问题限制了其商业化。为了解决这些安全问题，固态电解质（SEs）成为了热门替代方案，其中固态聚合物电解质（SPEs）因其优异的膜加工性能和灵活的形态特性而备受关注。
然而，SPEs面临离子导电性差和界面稳定性不足的挑战。此研究提出通过在聚丙烯酸基SPE中引入微量四氢噻吩砜（SL），设计“动态离子传输通道”。通过分子动力学模拟和实验验证，精确调控溶剂化结构，提升了离子导电性和锂离子迁移数。进一步分析发现，In situ-SL2电解质促进了稳定且富含无机物的固态电解质界面（SEI）形成，有效抑制了锂枝晶的生长。LFP|In situ-SL2|Li电池在3C下循环2000次后仍保持91.7%的容量，展示了卓越的性能和长时间稳定性。这项工作为设计高性能、长寿命且安全的固态聚合物电解质提供了新思路。
图1. (a) 聚合后的in situ-SL2固态聚合物电解质表面SEM图像。(b) 单体和聚合物电解质的FT-IR谱图。(c) 拉伸应力−应变曲线。(d) in situ基固态聚合物电解质的拉曼光谱。(e) 7Li核磁共振（NMR）谱。(f) SL分子在不同二面角变化下的表面静电势分布图。(g) 720−770 cm-1范围内的Lorentzian−Gaussian解卷积拉曼光谱。(h) 径向分布函数（g(r)，实线）和配位数（虚线）。(i) in situ-SL2 SPE的MD快照。
图2. 密度场图示说明锂离子传输通道：(a) in situ-SL1 SPE和(b) in situ-SL2 SPE的传输通道。 (c) in situ-SL1 SPE和(d) in situ-SL2 SPE中，Li+与溶剂化壳中代表性氧原子之间的核间距离。 (e) Li+的均方位移（MSD）和(f) in situ-SL1 SPE（左）及in situ-SL2 SPE（右）中代表性Li+离子的三维轨迹。(g)某一特定锂原子在in situ-SL1（上）和in situ-SL2（下）SPE中运动的快照。(h) 7Li和19F PFG-NMR。
图3. (a) 离子电导率和(b) 在室温下的电化学阻抗谱（EIS）。 (c) 使用Arrhenius模型拟合的活化能。(d) 室温下的LSV曲线。(e) 和 (f) 在10 mV偏压下，in situ-SL2和in situ-SL3 SPE的稳态计时安培极化曲线。(g) 不同 SPE的Li对称电池的EIS谱图。(h) in situ-SL2 SPE中离子传输机制的示意图。
图4. (a) in situ-SPE组装的Li对称电池的Tafel图。(b) 在0.3 mA cm-2和0.3 mAh cm-2下的恒电流循环曲线。 (c) 在不同电流密度下的恒定电流极化曲线。(d) 在阶梯式电流密度（0.1−2.0 mA cm-2）下的临界电流密度（CCD）测试。 (e) 文献性能比较。(f) in situ-SPE的Cu||Li半电池在0.2 mA cm⁻²和0.6 mAh cm⁻²下的性能。(g) in situ-SPE的Cu||Li半电池中锂电镀/剥离的电压-容量曲线。
图5. (a) 不同倍率下LFP|In situ-SL2|Li和LFP|In situ-SL3|Li电池的倍率性能。(b) LFP|In situ-SL2|Li电池在不同倍率下的充放电曲线。(c) LFP|In situ-SL3|Li电池在不同倍率下的充放电曲线。(d) LFP||Li电池在3C下的长时间循环性能。(e) LFP|In situ-SL2|Li电池循环后锂金属的粗糙度及相应的杨氏模量分析。(f) LFP|In situ-SL2|Li电池在循环过程中的EIS阻抗谱图。(g) 4.2-5.0V范围内，LFP|In situ-SL2|Li和LFP|In situ-SL3|Li电池的电化学浮动分析。(h) 在弯曲和剪切条件下，软包电池点亮LED的安全性测试。
图6. (a) 基于从头算分子动力学（AIMD）模拟的界面反应及在锂金属上形成的固态电解质界面（SEI）。(b) SEI中主要产物的相对含量。(c) 元素分析和(d, e) 循环后LFP|In situ-SL2|Li和LFP|In situ-SL3|Li电池锂表面F 1s的深度分析。(f) 循环10次后LFP|In situ-SL2|Li和LFP|In situ-SL3|Li电池的3D TOF-SIMS图。(g) LFP|In situ-SL2|Li和(h) LFP|In situ-SL3|Li电池基于COMSOL Multiphysics有限元方法（FEMS）的锂离子浓度分布模拟。
文章链接：Developing Dynamic Ion Transport Channels in Polymer Solid Electrolytes for High-Performance Lithium Metal Batteries
