锂氧（Li-O2）电池由于极高的理论能量密度（3500 Wh/Kg）而受到研究者的广泛关注。以有机溶剂为电解质的Li-O2电池存在电解液蒸发、泄漏和易燃等问题，安全性不高。以固态电解质代替液态电解质成功解决了上述问题，然鹅，新问题随之产生：正极材料三相边界（TPB）不高、界面电阻高、固态电解质稳定性差。
与锂离子电池中的正极不同，Li-O2电池的正极需要大量的TPB（Li+，e-，O2）作为活性位以促进电化学反应的进行。而且Li-O2电池的正极要求孔隙率要高，这样有利于O2的扩散，但是Li+的传输则需要正极内部有连续的固态电解质。这两个相互矛盾的要求给研究者的研究带了巨大困扰。
目前，Li-O2电池正极材料的制备方法多是将固态电解质和电子导体进行球磨、煅烧得到，这种方法制备的材料缺点很多，即不能实现锂离子和电子的连续传输，O2的扩散也不顺畅，因此TPB很有限，这导致全固态Li-O2电池容量低（<4500 mAh/g）、循环寿命短（≤10个周期）。所以，提高正极材料的TPB才是王道。常用的固态电解质要么是陶瓷要么是聚合物，陶瓷电解质电阻过高（> 103Ω），聚合物电解质室温离子电导率太低（10-7S/cm）无法在室温下运行。目前全固态Li-O2电池中的固态电解质都难堪大用。锂盐和塑料晶体混合物组成的塑料晶体电解质（PCE）具有很强的Li+传输能力，如基于丁二腈（SN）的PCE在室温的离子电导率高达10-3S/cm，已成功应用于全固态锂离子电池中，但是这种PCE的TPB也不够高，因此在全固态Li-O2电池中的应用不多。成果介绍基于以上分析，长春应化所张新波教授课题组采用热致相分离（TIPS）技术构建了一种孔隙率可调的丁二腈基（SN）塑料晶体电解质（PCE）。使得正极具有丰富且连续的TPB，在保证Li+/e-快速传输的同时还可以实现O2的快速扩散，而且由于PCE良好的柔软性和附着力，
电池电阻降低了10倍，电池性能显著提高：比容量高达5963 mAh/g，在32ºC下可以稳定循环130次，寿命提高了13倍。
塑料晶体电解质的合成
图1. （a）SN基PCE（SLPB）的合成示意图；（b~d））不同结构SLPB的SEM图像。
研究者基于TIPS技术合成了一种基于SN的PCE，他们以SN、双（三氟甲磺酰基）酰亚胺锂（LiTFSI）、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）和2,6-二叔丁基4-甲基苯酚（BHT）为原料，以DMSO为稀释剂制备出孔隙率可调的塑料晶体电解质：首先，将所有原料在60ºC下溶于DMSO中，随后将溶液倒在玻璃板上，在30℃下淬火，由于温差导致固液相分离，最后，将DMSO蒸发后得到SN基的PCE（SLPB）。其中溶液浓度是一个关键参数，发现DMSO的用量显著影响SLPB的形态和孔隙率：随着DMSO用量的增加，SLPB孔隙率越来越高，SLPB2/3/4的孔隙率分别为0.61％、20.76％和46.25％。
图2.（a）SLPB的XRD图；（b）SLPB的离子电导率；（c）SLPB2的杨氏模量；（d）SLPB2的粘附力图；（e）SLPB2的杨氏模量，以及PEO和SLPB2的粘附力；（f）对称LiF-Li / LiF-Li电池与LATP，PEO和SLPB2的电阻值。
研究者发现虽然不同SLPB的孔隙率不同，但它们的相态几乎相同，这表明DMSO的用量不会改变SLPB的组成，只是调节塑料晶体电解质的孔隙率。当SLPB孔隙率从0.61％增加到46.25％时，SLPB的离子电导率也仅从3.87×10-4S/cm2略微下降到2.43×10-4S/cm2，这说明SLPB中大量的孔没有破坏Li+的连续传输。SLPB2的杨氏模量比PEO低9倍，但是粘结力比PEO高4倍。高柔韧性和强粘附力的SLPB2有利于与正极形成紧密的界面接触从而降低了界面电阻。SLPB的结构特点
图3. （a）以陶瓷为电解质的全固态Li-O2电池；（b）以孔隙率可调的SLPB为电解质的全固态Li-O2电池示意图。。
研究者以陶瓷和SLPB为电解质组装了全固态Li-O2电池，由于CE硬度高，因此正极和负极侧的界面电阻很大，并且由于缺少O2扩散通道，因此正极中的TPB有限，电池性能不佳。基于孔隙率可调的SLPB全固态Li-O2电池同时解决了上述问题：致密的SLPB电解质层提高了离子电导率，柔软的特性可以与电极紧密接触，降低了电池电阻，多孔的SLPB在实现了Li+/e-快速传输的同时，大量的孔还可以使氧气快速扩散，因此在电极中形成了丰富的TPB，电池性能想不高都难。
全固态Li-O2电池的电化学性能
图4. （a）SLPB2，b）SLPB3和c）SLPB4在正极上的SEM图像；（d）在不同电流密度下，SLPB3全固态Li-O2电池的放电曲线；（e）将SLPB3电池与文献报道的放电容量进行比较；（f）不同SLPB全固态Li-O2电池的倍率性能；（g）具有不同SLPB的全固态Li-O2电池在200 mA/g的电流密度和500 mAh/g的固定容量下的循环寿命；SLPB3的全固态Li-O2电池在不同电流密度下，固定寿命为（h）500 mAh/g和（i）1000 mAh/g时的循环寿命。
研究者测试了以SLPB为电解质的全固态Li-O2电池的电化学性能。发现基于SLPB3和SLPB4Li-O2电池的放电容量要高于SLPB2，分别为5963、4924和2859 mAh/g，通过电镜分析发现SLPB2电极的结构致密，SLPB3和SLPB4电极存在多孔结构，这有利于产生大量的TPB，虽然SLPB4也有多孔结构，其相对较低的离子电导率导致其放电容量低于SPLB3。SLPB3全固态Li-O2电池当电流密度从200 mA/g增加到500 mA/g时，放电电压平台保持稳定，放电容量略有下降，远高于文献中的数值；在32ºC时电池电阻仅115Ω，远低于文献中的103Ω；在达到2 V的截止电压之前电池可以稳定运行130周，SLPB2和SLPB4电池只能循环77和94周。当电流密度增加到500 mA·g-1时，SLPB3全固态Li-O2电池仍可稳定运行107周，表现出卓越的倍率性能。
图5. （a）放电容量为1000 mAh/g后，SLPB3的SEM图像；（b）再充电的SLPB3的SEM图像；（c）新的、放电和再充电的SLPB3的XRD图谱；（d）130次循环后，拆解的SLPB3的XRD图谱和（e）SEM图像；（f）重新组装的全固态Li-O2电池在200 mA/g的电流密度和500 mAh / g的固定容量下的循环寿命。
研究者通过SEM分析了Li-O2电池中放电产物的形成-分解过程。发现在第一次放电后，电极表面出现了数百纳米的球形或环形放电产物，再次充电后放电产物消失，XRD分析发现放电产物为Li2O2。
在循环130次后，SLPB3全固态Li-O2电池循环性能显著下降，一方面是由于Li2CO3的积累，另一方面也是由于的SLPB3稳定性不够高。研究者在拆解后的电池中加入新鲜的SLPB3重新组装成Li-O2电池，发现电池可以循环59周，这表明提高正极和固态电解质的稳定性问题对于进一步提高全固态Li-O2电池的性能至关重要。
小结为了提高全固态Li-O2电池的性能，长春应化所张新波教授课题组基于热致相分离技术合成了一种孔隙率可调的丁二腈基塑料晶体电解质。这种多孔的电解质孔隙率在0.61％~46.25％之间，在保证Li+/e-传输的同时还可以实现O2的快速扩散，极大提高了电极的TPB，良好的柔软性和附着力，使电池电阻在32ºC时仅为115Ω，远低于文献中的10
3Ω。全固态Li-O2电池更是表现出前所未有的性能：以SLPB3为电解质的Li-O2电池的放电容量高达5963 mAh/g，在达到2 V的截止电压之前电池可以稳定130周。Li2CO3的积累以及SLPB3稳定性不高是造成电池循环性能恶化的主要原因，提高正极和固态电解质的稳定性是解决问题的重要途径。原文链接：
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002309
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