鋰氧（Li-O2）電池由於極高的理論能量密度（3500 Wh/Kg）而受到研究者的廣泛關注。以有機溶劑為電解質的Li-O2電池存在電解液蒸發、洩漏和易燃等問題，安全性不高。以固態電解質代替液態電解質成功解決了上述問題，然鵝，新問題隨之產生：正極材料三相邊界（TPB）不高、界面電阻高、固態電解質穩定性差。
與鋰離子電池中的正極不同，Li-O2電池的正極需要大量的TPB（Li+，e-，O2）作為活性位以促進電化學反應的進行。而且Li-O2電池的正極要求孔隙率要高，這樣有利於O2的擴散，但是Li+的傳輸則需要正極內部有連續的固態電解質。這兩個相互矛盾的要求給研究者的研究帶了巨大困擾。
目前，Li-O2電池正極材料的製備方法多是將固態電解質和電子導體進行球磨、煅燒得到，這種方法制備的材料缺點很多，即不能實現鋰離子和電子的連續傳輸，O2的擴散也不順暢，因此TPB很有限，這導致全固態Li-O2電池容量低（<4500 mAh/g）、循環壽命短（≤10個週期）。所以，提高正極材料的TPB才是王道。常用的固態電解質要麼是陶瓷要麼是聚合物，陶瓷電解質電阻過高（> 103Ω），聚合物電解質室溫離子電導率太低（10-7S/cm）無法在室溫下運行。目前全固態Li-O2電池中的固態電解質都難堪大用。鋰鹽和塑料晶體混合物組成的塑料晶體電解質（PCE）具有很強的Li+傳輸能力，如基於丁二腈（SN）的PCE在室溫的離子電導率高達10-3S/cm，已成功應用於全固態鋰離子電池中，但是這種PCE的TPB也不夠高，因此在全固態Li-O2電池中的應用不多。成果介紹基於以上分析，長春應化所張新波教授課題組採用熱致相分離（TIPS）技術構建了一種孔隙率可調的丁二腈基（SN）塑料晶體電解質（PCE）。使得正極具有豐富且連續的TPB，在保證Li+/e-快速傳輸的同時還可以實現O2的快速擴散，而且由於PCE良好的柔軟性和附著力，
電池電阻降低了10倍，電池性能顯著提高：比容量高達5963 mAh/g，在32ºC下可以穩定循環130次，壽命提高了13倍。
塑料晶體電解質的合成
圖1. （a）SN基PCE（SLPB）的合成示意圖；（b~d））不同結構SLPB的SEM圖像。
研究者基於TIPS技術合成了一種基於SN的PCE，他們以SN、雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺鋰（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）為原料，以DMSO為稀釋劑製備出孔隙率可調的塑料晶體電解質：首先，將所有原料在60ºC下溶於DMSO中，隨後將溶液倒在玻璃板上，在30℃下淬火，由於溫差導致固液相分離，最後，將DMSO蒸發後得到SN基的PCE（SLPB）。其中溶液濃度是一個關鍵參數，發現DMSO的用量顯著影響SLPB的形態和孔隙率：隨著DMSO用量的增加，SLPB孔隙率越來越高，SLPB2/3/4的孔隙率分別為0.61％、20.76％和46.25％。
圖2.（a）SLPB的XRD圖；（b）SLPB的離子電導率；（c）SLPB2的楊氏模量；（d）SLPB2的粘附力圖；（e）SLPB2的楊氏模量，以及PEO和SLPB2的粘附力；（f）對稱LiF-Li / LiF-Li電池與LATP，PEO和SLPB2的電阻值。
研究者發現雖然不同SLPB的孔隙率不同，但它們的相態幾乎相同，這表明DMSO的用量不會改變SLPB的組成，只是調節塑料晶體電解質的孔隙率。當SLPB孔隙率從0.61％增加到46.25％時，SLPB的離子電導率也僅從3.87×10-4S/cm2略微下降到2.43×10-4S/cm2，這說明SLPB中大量的孔沒有破壞Li+的連續傳輸。SLPB2的楊氏模量比PEO低9倍，但是粘結力比PEO高4倍。高柔韌性和強粘附力的SLPB2有利於與正極形成緊密的界面接觸從而降低了界面電阻。SLPB的結構特點
圖3. （a）以陶瓷為電解質的全固態Li-O2電池；（b）以孔隙率可調的SLPB為電解質的全固態Li-O2電池示意圖。。
研究者以陶瓷和SLPB為電解質組裝了全固態Li-O2電池，由於CE硬度高，因此正極和負極側的界面電阻很大，並且由於缺少O2擴散通道，因此正極中的TPB有限，電池性能不佳。基於孔隙率可調的SLPB全固態Li-O2電池同時解決了上述問題：緻密的SLPB電解質層提高了離子電導率，柔軟的特性可以與電極緊密接觸，降低了電池電阻，多孔的SLPB在實現了Li+/e-快速傳輸的同時，大量的孔還可以使氧氣快速擴散，因此在電極中形成了豐富的TPB，電池性能想不高都難。
全固態Li-O2電池的電化學性能
圖4. （a）SLPB2，b）SLPB3和c）SLPB4在正極上的SEM圖像；（d）在不同電流密度下，SLPB3全固態Li-O2電池的放電曲線；（e）將SLPB3電池與文獻報道的放電容量進行比較；（f）不同SLPB全固態Li-O2電池的倍率性能；（g）具有不同SLPB的全固態Li-O2電池在200 mA/g的電流密度和500 mAh/g的固定容量下的循環壽命；SLPB3的全固態Li-O2電池在不同電流密度下，固定壽命為（h）500 mAh/g和（i）1000 mAh/g時的循環壽命。
研究者測試了以SLPB為電解質的全固態Li-O2電池的電化學性能。發現基於SLPB3和SLPB4Li-O2電池的放電容量要高於SLPB2，分別為5963、4924和2859 mAh/g，通過電鏡分析發現SLPB2電極的結構緻密，SLPB3和SLPB4電極存在多孔結構，這有利於產生大量的TPB，雖然SLPB4也有多孔結構，其相對較低的離子電導率導致其放電容量低於SPLB3。SLPB3全固態Li-O2電池當電流密度從200 mA/g增加到500 mA/g時，放電電壓平臺保持穩定，放電容量略有下降，遠高於文獻中的數值；在32ºC時電池電阻僅115Ω，遠低於文獻中的103Ω；在達到2 V的截止電壓之前電池可以穩定運行130周，SLPB2和SLPB4電池只能循環77和94周。當電流密度增加到500 mA·g-1時，SLPB3全固態Li-O2電池仍可穩定運行107周，表現出卓越的倍率性能。
圖5. （a）放電容量為1000 mAh/g後，SLPB3的SEM圖像；（b）再充電的SLPB3的SEM圖像；（c）新的、放電和再充電的SLPB3的XRD圖譜；（d）130次循環後，拆解的SLPB3的XRD圖譜和（e）SEM圖像；（f）重新組裝的全固態Li-O2電池在200 mA/g的電流密度和500 mAh / g的固定容量下的循環壽命。
研究者通過SEM分析了Li-O2電池中放電產物的形成-分解過程。發現在第一次放電後，電極表面出現了數百納米的球形或環形放電產物，再次充電後放電產物消失，XRD分析發現放電產物為Li2O2。
在循環130次後，SLPB3全固態Li-O2電池循環性能顯著下降，一方面是由於Li2CO3的積累，另一方面也是由於的SLPB3穩定性不夠高。研究者在拆解後的電池中加入新鮮的SLPB3重新組裝成Li-O2電池，發現電池可以循環59周，這表明提高正極和固態電解質的穩定性問題對於進一步提高全固態Li-O2電池的性能至關重要。
小結為了提高全固態Li-O2電池的性能，長春應化所張新波教授課題組基於熱致相分離技術合成了一種孔隙率可調的丁二腈基塑料晶體電解質。這種多孔的電解質孔隙率在0.61％~46.25％之間，在保證Li+/e-傳輸的同時還可以實現O2的快速擴散，極大提高了電極的TPB，良好的柔軟性和附著力，使電池電阻在32ºC時僅為115Ω，遠低於文獻中的10
3Ω。全固態Li-O2電池更是表現出前所未有的性能：以SLPB3為電解質的Li-O2電池的放電容量高達5963 mAh/g，在達到2 V的截止電壓之前電池可以穩定130周。Li2CO3的積累以及SLPB3穩定性不高是造成電池循環性能惡化的主要原因，提高正極和固態電解質的穩定性是解決問題的重要途徑。原文鏈接：
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002309
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