浙江大学陆俊教授/王利光研究员AEM：利用热塑性弹性体构建交联网络，打造高稳定全固态锂硫电池

利用硫化物固态电解质的锂硫电池在实现高能量密度和提高安全性方面具有相当大的潜力。然而，硫在循环过程中经历的巨大体积变化会导致机械应力累积，从而导致机械失效，进而降低整体电化学性能。

近日，浙江大学陆俊教授、王利光研究员提出了一种应力缓冲策略，即通过为复合硫阴极设计一种机械弹性交联结构来应对这一挑战。具体而言，这种结构是通过整合高弹性热塑性弹性体（乙烯-醋酸乙烯酯，EVA）来实现的，通过EVA的反复拉伸和收缩，可在硫体积变化时释放应力，从而在电极内保持稳定的离子/电子扩散通道。凭借这种机械稳定的结构，整个硫电极所经历的应力演变大大减少，显著降低了≈33.7%。因此，S-EVA复合阴极具有优异的电化学性能，尤其是循环稳定性。值得注意的是，S-EVA复合阴极的负载量高达7.5 mg cm-2，在经过50次循环后表现出接近3.0 mAh cm-2的稳定循环容量。这项工作不仅为减轻电极内部的机械应力提供了新的见解，还为开发耐用的高性能全固态电池铺平了道路。

文章要点：

1. 这项工作采用了一种热熔聚合物EVA（俗称"热塑性弹性体"），在复合硫阴极中建立了稳固的三维交联结构。

2. 作为传统湿浆电极制备工艺的替代方法，这里选择了干法球磨法，有效避免了有机溶剂对硫化物电解质的有害影响。在球磨过程中，EVA弹性体颗粒经历了熔化阶段，在高热和高能碰撞的影响下逐渐过渡到纤维结构。EVA具有出色的伸展性和弹性，其固有特性使电极能够适应循环过程中的体积变化，并有效缓解内应力。

3. 原位压力监测结果表明，加入EVA成分后，复合硫阴极内部的应力演化大幅减少了33.7%。此外，EVA和导电材料之间的强氢键以及羰基与Li2S的高结合能协同作用，有助于保持电极的结构完整性。

4. 因此，设计精良的EVA弹性体复合硫阴极（SEVA）具有优异的电子和离子传输特性，从而显著提高了其电化学性能。利用EVA作为网络形成剂在这种电池系统的大体积变化的情况下提高电极的机械稳定性方面具有显著的潜力。

图1 材料设计及表征

图2 S-EVA的加工过程和形貌表征

图3 全固态锂硫电池性能

图4 界面稳定性评价

原文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202304244

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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