在過去的20年裡，鋰離子電池（LIBs）由於其高能量和高功率密度而主導了可攜式電子設備的市場。同時在碳酸有機溶劑中開發基於LiPF6的液體電解質（LEs）使商業LIBs在高壓時，電極化學穩定。然而，有機LEs的易燃性已經威脅到了LIBs在電動汽車和儲能系統中的大規模應用。因此，使用無機固體電解質（SE）材料組裝全固態電池被認為是未來LIBs最合理的方向之一。
複合結構的ASLBs具有很好的應用前景，因為它們可以採用基於粉末型電極材料的溼法工藝，這已經被商業化的LIBs製造。迄今為止，為開發ASLBs的片狀電極已經作出了一些努力，並在容量和倍率方面取得了顯著進展。但大規模製備仍然不能夠達到理想的狀態，為此，聚合物電解質和氧化物填料之間的混合固態電解質已經發展起來。
但傳統的氧化物-聚合物複合固態電解質中的聚合物成分降低了固態電解質的熱穩定性，進而可能降低安全性能。相比之下，儘管幾種硫化物超離子導體在室溫下已達到超過10-2 S cm-1的極高電導率，且硫化物固態電解質材料相對較輕，但只有少數報導是基於硫化物複合固態電解質的。這主要是因為溼法所引發的化學穩定性下降。
基於之前的研究，韓國漢陽大學Yoon Seok Jung教授和韓國蔚山國立科學技術大學Sang-YoungLee教授等提出了一種新的具有高導電和良好熱穩定性，厚度在40-70μm之間的柔性單離子導電硫化物固態電解質的製備方法。相關論文以題為「Thin and FlexibleSolid Electrolyte Membranes with Ultrahigh Thermal Stability Derived from SolutionProcessable Li Argyrodites for All-Solid-State Li Ion Batteries」發表在ACS Energy Lett.上。
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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00251
具體來看，在圖1中展示了通過溶液處理之後的Li6PS5[Cl，Br]滲透到電紡多孔PI 納米線中，從而製備固體電解質的過程。其中，高分子納米線設計策略的關鍵因素是：機械強度好，高孔隙度率，小孔徑和高熱穩定性，使得在較高熱處理溫度下能夠提升固態電解質的Li+電導率，同時在惡劣的環境下不受任何安全問題的影響，電紡聚醯亞胺（PI）納米線具有良好的多孔結構和超高熱穩定性，可在高溫下進行熱處理，最高溫度可達400°C，從而能夠容納具有高導電滲透性的Li6PS5Cl0.5Br0.5溶液（2.0 mS cm-1），這與傳統的聚合物形成了鮮明的對比。
圖1. 硫化物固態電解質製備的原理圖
圖2.電紡PI納米線和在400°C處理後的Li6PS5Cl1-xBrx滲透PI膜的表徵
由此方法製備的厚度為40μm的滲透Li6PS5Cl0.5Br0.5的PI納米線組裝成的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/石墨ASLBs在30°C的條件下展現了146 mAh g-1的優異容量和良好的熱穩定性（180°C）。此外，作者還提出了一種新的且具有規模性的策略，將液化固態電解質注入電極/PI電池中，成功組裝了LiCoO2/PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5/Li4Ti5O12全固態鋰離子電池。
圖3.採用PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5固態電解質的NCM/LTO全固態電池性能
圖4.採用PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5固態電解質的NCM/石墨全固態全電池性能及LCO/PI-Li6PS5Cl0.5Br0.5/LTO製備示意圖
總之，本文利用高導電溶液固態電解質和熱穩定多孔PI納米線，成功製備了具有超高熱穩定性的超薄、柔性和高導電單離子導電固態電解質，並組裝了全固態鋰離子電池。但在文章最後作者指出，儘管在本研究中證明的能量和功率密度不足以與最先進的LIBs技術競爭，但實驗結果揭示了固態電解質在規模化AS LBs製造中的方法。從而建議未來研究方向如下：研究應該進一步提高溶液處理後的固態電解質的Li+電導率；耐高溫的複合電極的研製，包括熱穩定粘結劑、無粘結劑電極和抑制電極活性材料與固態電解質反應的界面工程；評估固態電解質膜對鋰金屬、Si和Sn等高容量負極的兼容性。
來源：材料科學與工程公眾號，作者：Caspar。