開發(fā)高能量密度鋰金屬電池（LMBs）的驅(qū)動(dòng)力，源于對(duì)安全、高效儲(chǔ)能系統(tǒng)的迫切需求，以支持電動(dòng)交通轉(zhuǎn)型和可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)。此類電池研發(fā)的核心在于設(shè)計(jì)兼具高離子電導(dǎo)率、優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度以及與高活性鋰金屬負(fù)極之間良好界面相容性的固態(tài)電解質(zhì)。盡管無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)具有較高的離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，但其本征脆性及與電極之間較差的界面接觸問(wèn)題限制了實(shí)際應(yīng)用。相比之下，聚合物基電解質(zhì)雖具備良好的彈性與易加工性，卻普遍存在離子電導(dǎo)率偏低和對(duì)鋰枝晶抑制能力不足的缺點(diǎn)。 近年來(lái)，彈性體固態(tài)電解質(zhì)的研究取得了重要進(jìn)展，混合系統(tǒng)通過(guò)在聚合物基體中引入液態(tài)或準(zhǔn)液態(tài)相，顯著提升了離子遷移率。然而，如何在柔性、高效離子傳輸與枝晶抑制能力之間實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的平衡，仍然是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)。在此背景下，自然界和工業(yè)領(lǐng)域?yàn)檫@類材料設(shè)計(jì)提供了富有啟發(fā)性的類比。例如，橡膠輪胎便是一種耐用、柔韌且壽命長(zhǎng)的復(fù)合材料，能夠承受長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)機(jī)械應(yīng)力。其優(yōu)異性能源于軟質(zhì)橡膠基體、用于調(diào)節(jié)粘彈性的液態(tài)增塑劑以及由鋼或尼龍網(wǎng)構(gòu)成的剛性增強(qiáng)骨架之間的協(xié)同整合。 受這種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本研究提出了一類新型固態(tài)彈性體電解質(zhì)（SSEE-d），其包含深共晶電解質(zhì)（DEE），集成了軟聚合物基體、液態(tài)DEE和剛性多孔聚乙烯（PE）支架。在這一設(shè)計(jì)中，彈性體基體提供機(jī)械柔性并承載離子傳導(dǎo)的DEE相，而剛性PE網(wǎng)類似于輪胎中的尼龍網(wǎng)，增強(qiáng)復(fù)合材料、減輕變形并抑制枝晶穿透。這種三相結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了協(xié)同的傳輸-機(jī)械行為，并在應(yīng)變下保持電化學(xué)性能。 最近，中山大學(xué)張鵬課題組受橡膠輪胎耐久結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出一種自適應(yīng)性固態(tài)彈性體電解質(zhì)（PMEC）。該電解質(zhì)結(jié)合深共晶電解質(zhì)（DEE）、彈性聚合物基質(zhì)和剛性聚乙烯（PE）支架，實(shí)現(xiàn)了分子級(jí)均勻分散與界面自適應(yīng)。PMEC在30 °C下離子電導(dǎo)率達(dá)2.37 mS cm?1，鋰離子遷移數(shù)為0.64，界面粘附能高達(dá)36.34 J m?2?；赑MEC的固態(tài)電池展現(xiàn)出超2000小時(shí)的穩(wěn)定循環(huán)，搭配磷酸鐵鋰（LFP）正極的全電池在0.5 C倍率下循環(huán)800次后容量保持率超88%。這些結(jié)果展示了一種受輪胎啟發(fā)的策略，用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)集成、均勻的彈性體電解質(zhì)，解決了固態(tài)鋰電池系統(tǒng)的關(guān)鍵限制，并為安全、高性能的儲(chǔ)能提供了路徑。
圖1 a) 輪胎設(shè)計(jì)與制備示意圖：胎面膠、尼龍冠帶層、橡膠涂層尼龍網(wǎng)、液態(tài)橡膠增塑劑。 b) 受輪胎啟發(fā)的含深共晶電解質(zhì)（DEE）固態(tài)彈性體電解質(zhì)設(shè)計(jì)與制備示意圖：陰極、鋰金屬、彈性體電解質(zhì)、自支撐電解質(zhì)膜、液態(tài)DEE。 圖2 PMEC的力學(xué)與離子傳輸特性： a) 自支撐薄膜的光學(xué)透明度與210%拉伸性展示； b) 邵氏C硬度測(cè)試結(jié)果（37.5）； c) PMEC夾于銅箔間的界面粘附能測(cè)試（36.34 J m?2）； d) PMEC粘附力演示（吊起100 g重物）； e) 離子電導(dǎo)率阿倫尼烏斯曲線（30°C時(shí)為2.37 mS cm?1）； f) Li|PMEC|Li對(duì)稱電池在10 mV偏壓下的計(jì)時(shí)電流曲線（鋰離子遷移數(shù)t?=0.64）。 圖3 PMEC結(jié)構(gòu)表征與離子配位分析： a) SAXS二維散射圖譜（PMEC及對(duì)照組）； b) 一維SAXS曲線（證實(shí)均勻非晶結(jié)構(gòu)）； c) 一維WAXS曲線（無(wú)結(jié)晶峰）； d) 拉曼光譜（TFSI?陰離子配位態(tài)分解）； e) 不同樣品中TFSI?物種比例（PMEC游離陰離子占比71.2%）。 圖4 循環(huán)后鋰負(fù)極界面分析： a–c) XPS深度剖析（C 1s, F 1s, O 1s譜隨濺射時(shí)間演變）； d–f) TOF-SIMS表面成像（F?, O?, C?信號(hào)分布對(duì)應(yīng)LiF、Li?O及有機(jī)SEI組分）。 圖5 LFP|PMEC|Li電池性能： a) 倍率性能； b) 不同倍率充放電曲線； c) 0.5 C循環(huán)電壓曲線； d) 0.5 C長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性； e) 3 C長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性； f) LCO電池循環(huán)性能； g) 循環(huán)前后DRT與EIS分析； h) 與文獻(xiàn)報(bào)道固態(tài)電池性能對(duì)比。 圖6 a) LFP|PMEC|Li軟包電池機(jī)械損傷演示（切割/彎折后仍點(diǎn)亮LED）； b) PMEC結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)示意圖：彈性恢復(fù)、離子傳輸通道、梯度SEI、電化學(xué)/機(jī)械魯棒性。 該研究提出了一種受橡膠輪胎啟發(fā)的設(shè)計(jì)策略，用于構(gòu)建自適應(yīng)固態(tài)彈性體電解質(zhì)（PMEC），有效平衡了機(jī)械韌性、離子電導(dǎo)率和界面兼容性。通過(guò)均勻分散深共晶組分和可變形聚合物基體，PMEC電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)了高拉伸性、強(qiáng)粘附性和優(yōu)異的電化學(xué)性能。通過(guò)X射線散射、拉曼光譜和深度分辨XPS/TOF-SIMS的結(jié)構(gòu)分析，驗(yàn)證了PMEC的非晶態(tài)、均勻混合特性及其形成梯度SEI的能力，從而促進(jìn)平滑Li+傳輸和枝晶抑制。這些特性轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)期穩(wěn)定性、高庫(kù)侖效率以及與高壓正極的兼容性，如在LFP、LCO和Ni88電池中的表現(xiàn)所示。PMEC基軟包電池在機(jī)械損傷下的持久運(yùn)行進(jìn)一步凸顯了其實(shí)用性?？傊?，該研究為仿照橡膠輪胎的適應(yīng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)完整性的下一代SSEEs設(shè)計(jì)提供了引人注目的藍(lán)圖，為更安全、更持久的固態(tài)LMBs鋪平了道路。 論文信息 Design and Preparation of Self-Adaptive and Robust Solid-State Elastomeric Electrolyte for Lithium Metal Battery Inspired by Rubber Tire Zhengyin Yao, Zhen Liu, Kang Xia, Shuo Zhao, Haoru Xie, Xurui Li, Sili Zhou, Dongbai Sun, Peng Zhang 該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：U2032101、11905306）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2022YFB2402602）以及廣東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：2024A1515012260）提供的資助。特別感謝上海麒祥新材料有限公司的姚翔先生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提出的寶貴建議。作者感謝上海蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施（https://cstr.cn/31129.02.NFPS）BL19U2光束線站（https://cstr.cn/31129.02.NFPS.BL19U2）工作人員在數(shù)據(jù)采集與分析過(guò)程中提供的技術(shù)支持和協(xié)助，謹(jǐn)此感謝。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202513167
