一、全文概要

隨著對高性能和低成本儲能設備的需求不斷增長，人們對鋰（Li）金屬電池（LMBs）越來越感興趣。由于鋰金屬負極的高比容量（3860 mAh g-1）和低的負電化學電勢（相對于標準氫電極-3.04 V），因此用鋰金屬作為負極被認為是一種用于獲得高能電池的有效方法。然而，在有機電解質系統(tǒng)中，連續(xù)鍍鋰和剝離會導致鋰枝晶的出現(xiàn)以及固體電解質界面膜（SEI）的增厚，并且產(chǎn)生的死鋰會導致容量損失和安全問題。由于固態(tài)電解質（SSEs）具有更高的安全性和抑制樹枝狀Li生長的能力，用SSEs代替可燃性有機電解質已引起人們的極大興趣，并且固態(tài)LMBs作為在能量密度和運行安全性方面能夠超越傳統(tǒng)鋰離子電池的下一代電池技術也受到了廣泛關注。在SSEs中，固體聚合物電解質（SPEs）具有成本低、無毒、重量輕等優(yōu)點，適合大規(guī)模生產(chǎn)，因此具有巨大的應用潛力。要實現(xiàn)高性能LMBs，SPEs需要具有高離子電導率、合適的機械性能、在Li金屬負極和正極均具有良好的界面穩(wěn)定性、廣泛的電化學穩(wěn)定性。然而，目前沒有完美的策略能夠使SPEs滿足上述所有特性并且能夠使具有高壓正極的LMBs穩(wěn)定運行。基于上述問題和需求，韓國科學技術高等研究院Bumjoon J. Kim和美國佐治亞理工學院Seung Woo Lee通過系統(tǒng)地調(diào)節(jié)相的體積比，基于聚合誘導相分離（PIPS）制備了不同相分離結構的塑料晶體嵌入的彈性體電解質（PCEE），以闡明PCEE在LMBs中的結構-性能-電化學性能的關系。在彈性體相與塑料-晶體相的最佳體積比（即1:1）下，雙連續(xù)結構的PCEE由高效的離子導電性、交聯(lián)彈性體基體和具有遠程連通性通道的塑料-晶體組成，在25°C下表現(xiàn)出極高的離子導電性（約10-3 S cm-1）和優(yōu)異的機械回彈性（斷裂伸長率約為300%）。采用這種優(yōu)化的PCEE、35 μm厚的Li負極和高負載LiNi0.83Mn0.06Co0.11O2（NMC-83）正極的組裝的全電池有著437 Wh kganode+cathode+electrolyte-1的高能量密度。此外，用于固態(tài)LMBs的PCEE的結構-性能-電化學性能關系有望為各種電化學能量體系的彈性體電解質的開發(fā)提供參考。該研究以題目為“Role of Bicontinuous Structure in Elastomeric Electrolytes for High-Energy Solid-State Lithium-Metal Batteries“的論文發(fā)表在材料領域國際頂級期刊《Advanced Materials》。

二、正文部分

1、文章亮點

1. 通過精確控制彈性體與塑料晶體相的體積比，得到了具有各種不同連通性和彎曲度的相分離結構的PCEE，闡明了PCEE的雙連續(xù)結構在優(yōu)化其機械和電化學性能方面的作用，為彈性體電解質的開發(fā)提供了參考。

2. 證明了優(yōu)化組成對于制備具有高離子電導率和機械強度的PCEE的重要性，并且用這種優(yōu)化的PCEE組裝的全電池獲得了高能量密度，提升了PCEE的實際應用的潛力。

2、正文導讀

3.1具有不同BA:SN體積比的塑料晶體嵌入的彈性體電解質的設計

【圖1】不同BA:SN體積比的塑料晶體嵌入的彈性體電解質（PCEE）的設計。a） 根據(jù)其相的體積比，PCEE的結構-性能關系示意圖。b） 描述了三種代表性情況：彈性體為主的結構、雙連續(xù)結構和塑料晶體為主的結構。

PCEE由丙烯酸丁酯（BA）基和丁二腈（SN）基溶液合成，分別是彈性體和塑料晶體的來源（補充圖S1，S2）。BA基溶液由BA、聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）、偶氮二異丁腈（AIBN）和雙（三氟甲磺酰）亞胺鋰（LiTFSI）組成，而SN基溶液由SN和LiTFSI組成。當使用純BA基溶液時，可以合成具有優(yōu)異機械彈性的交聯(lián)聚（BA）彈性體，但其在20℃時的離子電導率可以忽略不計。相反，當使用純SN基溶液時，SN-LiTFSI配合物表現(xiàn)出4.17 mS cm-1的高離子電導率，它通過反旋異構體傳導鋰離子。然而，基于小分子的塑料晶體電解質具有非常脆的性質，沒有彈性。因此，為了獲得兼具優(yōu)異機械性能和離子電導率的PCEE，在50℃下以不同體積比混合BA-和SN-基溶液，合成了不同結構的PCEE。隨后將每種混合物在70°C下反應2小時以聚合BA，其中AIBN和PEGDA分別用作熱引發(fā)劑和交聯(lián)劑。在聚合過程中，外部彈性體相與嵌入的由SN-LiTFSI復合物組成的內(nèi)部塑料晶體域分離。PCEE獨特的3D相分離結構的形成可以用PIPS來解釋。在原位聚合過程中，彈性體的同時演化和交聯(lián)在動力學上捕獲了離子導電塑料晶體。由于SN與鋰鹽之間存在較強且復雜的相互作用，大部分鋰鹽分離到SN相中產(chǎn)生導電納米通道，而交聯(lián)彈性體支架提供機械支撐。每個相的連通性和域的尺寸決定了PCEE的整體性能，例如離子電導率和機械強度。因此，為了闡明PCEE的結構、性質和電化學性能之間的重要關系，研究了具有不同相分離結構的PCEE。根據(jù)每個相的優(yōu)勢，可以確定三種代表性情況：以彈性體為主的結構、雙連續(xù)結構和以塑性晶體為主的結構。總結了每種結構的重要特性，例如彈性和離子電導率（圖1）。為方便起見，不同的PCEE用BAX表示，其中X是BA的體積分數(shù)（以百分比表示）。例如，BA50表示含有50% BA的PCEE。請注意，BA100是指純彈性體基電解質，而BA0表示純SN基電解質。

3.2雙連續(xù)結構PCEE的形成機理

【圖2】雙連續(xù)結構PCEE的形成機理。a） PCEE的離子電導率與SN體積分數(shù)（fSN）的函數(shù)關系，顯示四個特征區(qū)域（區(qū)域1-4）。b） a）中紅點方框內(nèi)的PCEEs的彎曲度，這是根據(jù)離子電導率的測量結果計算得出的。c）區(qū)域1 （BA98）、d）區(qū)域2 （BA95）、e）區(qū)域3 （BA70）、f）區(qū)域4 （BA50）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和示意圖。

為了了解PCEE中三維互連離子傳導通路的演變，測量了PCEE的離子電導率，即在20℃時SN體積分數(shù)（fSN）的增加。離子電導率與fSN的對數(shù)圖可分為四個特征區(qū)域（圖2a）。在非常低的fSN（區(qū)域1；fSN ≤ 0.02）下，PCEE表現(xiàn)出非常低的離子電導率（《10-7 S cm-1），這表明過低的SN體積分數(shù)無法在彈性體基質中形成連接的離子傳導路徑。隨著fSN從0.02增加到0.05（區(qū)域2），PCEE的離子電導率急劇增加到約10-5 S cm-1，比區(qū)域1觀察到的高100倍，這可以歸因于分離的塑料晶體相之間連接的增加，因為連接的網(wǎng)絡結構在導電鋰離子方面非常有效。在該區(qū)域中，需要足夠的fSN才能在彈性體相中創(chuàng)建滲透網(wǎng)絡。預示著電導率急劇增加的點（fSN = 0.035）可以被認為是形成連接的離子傳導通路的滲透閾值（fp）（補充圖S3）。推測非常低的fp歸因于兩個不同的因素：i）彈性體和塑料晶相之間很強的不混溶性，ii）SN分子結晶的強烈趨勢。在區(qū)域2連接SN網(wǎng)絡后，PCEE的離子電導率在fSN為0.05和0.50（區(qū)域3）之間時逐漸增加。fSN（區(qū)域4；fSN ≥ 0.50）的進一步增加導致PCEE的離子電導率再次急劇增加，達到接近約1 mS cm-1的高值。由于該值與純SN相的值幾乎相同（4.17 mS cm-1；BA0），因此了解PCEE在這些區(qū)域的結構對于闡明其高離子電導率的起源非常重要。

可以根據(jù)彎曲度的變化來研究PCEE中雙連續(xù)結構的形成（圖2b）。由于PCEE的離子電導率（σPCEE）很大程度上取決于PCEE內(nèi)離子傳導SN相的連通性；σPCEE可以表示為σSN（BA0的離子電導率）、fSN（SN相的體積分數(shù)）和τ（PCEE的彎曲度）的函數(shù)，即σPCEE= σSN fSN/τ。基于該方程，計算對應于區(qū)域3和4（BAX，X= 40-70）PCEE的τ，以評估其SN相連接性的差異。BA70（區(qū)域3）顯示出約12.0的高τ值，表明其曲折的SN相路徑限制了離子的有效遷移。在BA55的情況下，其增加的fSN伴隨著τ減少。減少到6.7的τ表明SN相通路之間的連接增加，形成了捷徑。最后，BA50和BA40（區(qū)域4）顯示出約2.0的低τ，考慮到一個理想的小分子離子雙連續(xù)網(wǎng)絡的理想τ值在1.5到3.0之間，這個低值是非常接近理想值的。因此，對應于區(qū)域4（BA50和BA40）的PCEE具有有效的3D互連離子傳導通路，從而產(chǎn)生高離子電導率（接近純SN相的電導率（4.17 mS cm-1；BA0）。為了闡明PCEEs的形態(tài)與其電導率與fSN的關系，通過掃描電子顯微鏡（SEM）研究了與每個區(qū)域相對應的PCEEs的結構，并且提供了形態(tài)的示意圖，以更好地說明電導率-形態(tài)的關系。BA98（區(qū)域1）的掃描電鏡圖像顯示表面平坦，無明顯特征（圖2c）。對應于區(qū)域1的PCEEs由于其塑料晶相體積分數(shù)低，離子電導率極低，它們的塑料晶體相在彈性體中彼此分開。BA95（區(qū)域2）顯示出一種獨特的模式，即扭曲的狹窄通路的連接（圖2d）。在區(qū)域3（BA70）中，通過在彈性體相內(nèi)增加SN的量來增加路徑的數(shù)量和路徑之間的互連性，從而導致SN傳導相的彎曲度較低（圖2e）。觀察到的BA50的結構（區(qū)域4）顯示了相互連接的蠕蟲狀彈性體通路，區(qū)域尺寸顯著增大，彎曲度顯著減小（圖2f）。BA50和BA40的3D X射線顯微鏡圖像顯示了大面積均勻的3D互連相（灰色）的存在，證實了雙連續(xù)結構的形成（補充圖S4）。此外，BA90和BA50橫截面的低溫透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示了彈性體主導結構和雙連續(xù)結構之間的明顯差異（補充圖S5）。顯然，就域的大小和SN相的連通性而言，BA與SN的體積比決定了PCEE的形貌，這對獲得高離子導電性至關重要。

3.3 PCEEs的鋰離子傳輸性質

【圖3】PCEEs的鋰離子傳輸特性。a） PCEEs，BA100和BA0的離子電導率與溫度的Arrhenius圖。b） PCEEs，BA100和BA0的鋰離子轉移數(shù)。c） PCEEs，BA100和BA0的7Li固態(tài)核磁共振譜。在適用的情況下，使用洛倫茲-高斯函數(shù)將光譜反卷積為三個峰值（橙色、灰色和綠色峰值分別對應于鋰離子與彈性體、彈性體/SN界面和SN的相互作用）。

為了獲得PCEEs的鋰離子傳輸特性與其電化學性能之間的直接關聯(lián)，將研究范圍縮小到在環(huán)境溫度下離子電導率超過0.1 mS cm-1的PCEEs。使用電化學阻抗譜（EIS）研究了不同溫度下PCEEs的離子電導率（圖3a）。具有雙連續(xù)結構的BA50和BA40（區(qū)域4）在20℃時表現(xiàn)出超過1 mS cm-1的高離子電導率（BA50： 1.12 mS cm-1和BA40： 1.32 mS cm-1）。這些離子電導率顯著超過區(qū)域3中的PCEEs（BA55： 0.28 mS cm-1，BA60： 0.15 mS cm-1，和BA70： 0.12 mS cm-1）。盡管SN相具有二項依賴性，但Arrhenius和Vogel-Tammann-Fulcher都無法充分解釋PCEEs的塑性-結晶相，但離子電導率對溫度的依賴性可以用Arrhenius方程進行擬合，以了解鋰離子在PCEEs中的擴散趨勢。BA100的活化能（Ea）為0.70 eV，PCEE的活化能隨著fSN的增加而逐漸降低：即PCEEs的Ea按BA70（0.22 eV）、BA60（0.21 eV）、BA55（0.20 eV）、BA50（0.18 eV）和BA40（0.17 eV）的順序減小。具有雙連續(xù)結構的PCEE的Ea接近BA0（0.14 eV; 純SN相），表明了離子對解離和局部離子跳躍的低激活勢壘。這些結果還表明，PCEE中離子傳導和彈性體相的共連續(xù)存在并不影響塑料晶體相的鋰離子輸運性能。

鋰離子遷移數(shù)（tLi+）定義為二元鹽電解質的每法拉第電荷中鋰離子遷移攜帶的離子電流的比率。高tLi+有利于需要大恒定電流為電池充電的快速充電操作。使用Bruce-Vincent方法研究了PCEE、BA100和BA0的tLi+（圖3b和補充圖S6）。tLi+隨著fSN的增加逐漸增加，直到BA50（BA100為0.15，BA90為0.29，BA80為0.26，BA70為0.29，BA60為0.39，BA55為0.4，BA50為0.75）。tLi+從BA50的0.75下降到BA0的0.53（純SN相；1M LiTFSI SN）。應該注意的是，BA50的tLi+為0.75，大大高于之前報道的基于PEO的電解質（tLi+《0.5）。為了更好地理解PCEE獨特的鋰離子傳輸行為，進行了7Li固態(tài)核磁共振（NMR）光譜分析（圖3c）。在BA100的光譜中觀察到一個0.9 ppm的7Li共振峰，該峰源于BA基彈性體的酯基與鋰離子之間的相互作用。在BA0光譜中在0.3 ppm處觀察到的單個7Li共振峰歸因于SN的腈基團和Li離子之間的相互作用。PCEEs的7Li共振被分解為三個峰，歸因于鋰離子與BA基彈性體（0.6 ppm），SN（0.3 ppm）和彈性體/SN界面（0.26 ppm）的相互作用。在BA50的光譜中，在0.3 ppm處的峰的強度超過在0.6 ppm處的峰的強度，這表明Li離子與SN相的相互作用比BA基彈性體更強。SN分子具有非常高的介電常數(shù)（ε約為55），并能有效地解離鋰鹽。大部分SN分子采用構象動力學（即反式-間扭式異構）來傳導Li離子，而SN相內(nèi)高濃度的Li離子可以通過配體交換促進Li離子跳導，導致tLi+增加（圖3b）。因此，考慮到BA50的tLi+超過BA0（0.53）的事實，假設BA50的特別高的tLi+是由于SN相內(nèi)局部集中的Li離子所致。然而，在BA60和BA70中的SN相含量降低的情況下，SN相中Li離子的相對峰值強度降低，因此，BA基彈性體中的Li離子濃度高于SN相。由于SN相中Li離子的濃度相對較低，難以促進SN相中Li離子的有效跳躍傳導，導致相對較低的轉移數(shù)（《 0.5）。

使用Debye圖-假想阻抗作為頻率的函數(shù)（電導率弛豫時間的倒數(shù)）-與洛倫茲函數(shù)擬合（補充圖S7），進一步研究了PCEEs的鋰離子傳輸機制。與區(qū)域3（BA70，BA60和BA55）的PCEEs相比，雙連續(xù)PCEEs（BA50和BA40）的德拜峰最大值在更高的頻率區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)，這表明它們與離子跳躍相關的更快的弛豫過程。因此，具有低曲折度和低活化能的雙連續(xù)PCEE可以促進鋰離子沿三維互連的離子傳導途徑的快速擴散。

3.4 PCEEs的機械性能

【圖4】PCEEs的力學性能。a） 100 mm min-1延伸速率下PCEEs的應力-應變曲線。b） 通過在a）中積分其應力-應變曲線確定的PCEEs的韌性值。c） 舉起200g重量的BA50樣品的照片。d） 在1 rad s-1角頻率下PCEEs的動態(tài)存儲（G‘）和損失模量（G“）和損失正切。

SSEs的機械性能決定了它們能夠耐受Li金屬的大體積變化并抑制樹枝狀Li的生長。特別是，SSEs的高彈性被認為是增強SSEs在循環(huán)過程中穩(wěn)定性的關鍵因素。利用萬能拉伸機（UTM）獲得了不同BA:SN體積比的PCEEs的應力-應變曲線，比較了它們的力學彈性。由于BA基彈性體基體的優(yōu)異彈性，具有fSN ≤ 0.50的PCEEs顯示出類似的高延伸性（斷裂伸長率》 300%），表明SN相很好地嵌入彈性體基體內(nèi)（圖4a和補充圖S8）。這些PCEEs的出色彈性可以通過拉伸/回縮交聯(lián)彈性體來適應Li金屬循環(huán)過程中的大體積變化。此外，柔軟的彈性體可以共形包裹在Li金屬表面，并具有良好的附著力，促進Li金屬均勻沉積。相比之下，BA40的彈性體體積分數(shù)降低，其伸長率顯著降低（斷裂伸長率≈160%）。這是因為機械強度較弱的SN相周圍的相互連接彈性體相體積分數(shù)相對較低，無法充分耗散拉伸過程中產(chǎn)生的高能量。通過積分其應力-應變曲線比較了PCEEs的韌性（圖4b）。隨著fSN從0.5增加到0.6，PCEEs的韌性值顯著降低，也就是說，0.50 MJ m-3的BA50的韌性明顯高于BA40的0.10 MJ m-3，而BA40的韌性又比BA70低9倍。因此，0.50的fSN是PCEEs具有優(yōu)異機械性能的臨界體積分數(shù)。BA50的高機械回彈性如圖4c所示。具有20 mm2的橫截面積的BA50樣本能夠重復地舉起200 g的重量并返回到其原始狀態(tài)，而BA40樣本在舉起100 g的重量的條件下撕裂（補充圖S9）。此外，圖4d示出了根據(jù)動態(tài)剪切流變測量PCEEs在角頻率為1 rad s-1時的存儲（G’）和損耗（G”）模量和損耗正切（tanδ= G“/ G‘）。G’為儲能，G”為熱耗散能，分別代表PCEE中的彈性部分和粘性部分。它們的比值（損失正切）表明了G‘和G“的優(yōu)勢，決定了PCEE的類固體行為。以BA70為例，fSN為0.3時，存儲模量顯著超過損耗模量，反映了該PCEE的彈性。當PCEE的fSN從0.3（BA70）增加到0.5（BA50）時，G’和G”略有下降，但損失正切始終小于1（補充圖S10）。fSN進一步增加至0.6（BA40）時，模量顯著減少，損失正切增加，以致其接近1，表明失去彈性。這些結果表明，fSN= 0.6是PCEE彈性受到塑性晶相體積顯著影響的過渡點。

3.5 PCEE基鋰電池的電化學性能

【圖5】具有PCEEs的電化學性能。a） 具有PCEEs的對稱Li電池的循環(huán)性能（嵌入圖為不同時期的放大電壓分布）。b） 在0.2 C （1 C = 200 mA g-1）下，在2.7-4.3 V的電壓范圍內(nèi)，整個電池的循環(huán)性能。c） 在第100個周期具有各種PCEE的全電池的相應恒電流充電/放電（GCD）曲線。d） 根據(jù)以下類別的相對值識別平衡PCEE結構的綜合圖： 20℃下的離子電導率（黑色正方形），tLi+（藍綠色圓圈），機械彈性（藍色三角形），對稱Li電池的電壓滯后（綠色倒三角形），和100循環(huán)后全電池的容量保留（橙色菱形）。橙色陰影區(qū)域表示PCEE的平衡結構（即BA50）。

為了了解PCEEs中結構差異對Li可逆性的影響，使用各種PCEEs進行了對稱Li電池測試（圖5a）。在5 mA cm-2的高電流密度下，每周期鍍/脫鋰1 h，BA70電池由于其彈性體主導結構的鋰離子輸運性能較差，在第一個周期發(fā)生短路。具有BA60的電池在1000 h內(nèi)鋰可逆性顯著提高，但在100 h內(nèi)電壓曲線呈“拱形”形狀，在420和620 h后極化有兩次顯著增加（圖5a和補充圖S11），這可能與樹突狀或死鋰的積累有關。BA50的電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能，在1000 h內(nèi)極化低于10 mV。在BA50電池的電壓曲線較為平穩(wěn)，沒有從早期到后期的電壓曲線形狀的演變（圖5a的插圖）。這個平穩(wěn)期可以歸因于BA50上相對較小的濃度梯度，根據(jù)其雙連續(xù)結構和高tLi+，對應于快速Li離子傳輸?shù)牡颓弁緩健Ｈ欢捎谄湎鄬^差的機械穩(wěn)定性，帶有BA40的電池僅持續(xù)了375小時，也就是說，它無法防止鋰枝晶滲透。考慮到電壓曲線中有爭議的方面，即循環(huán)過程中帶有BA50的電池中的潛在短路，通過在五個循環(huán)后長時間內(nèi)施加5 mA cm-2的電流密度，對Li進行完全耗盡的測試（補充圖S12）。具有BA50的電池在5 mA cm-2的電流密度和5 mAh cm-2的容量下，在5個循環(huán)（0-10 h）表現(xiàn)出持續(xù)低極化。隨后，施加5 mAcm-2的電流密度使鋰完全剝離18 h（450 μm厚Li）。剝離12小時后（累積容量約為60 mAh cm-2，鋰約厚292 μm），極化急劇增加到180 mV時發(fā)生了短路。這表明，與短路電池相比，BA50電池具有穩(wěn)定的循環(huán)性能和低極化性能。此外，使用恒定電流操作在1 mAh cm-2的固定容量下測量PCEEs的庫侖效率（CEs）（補充圖S13）。在3 mAh cm-2的累積容量下，BA70、BA60、BA50和BA40的整個過程的CEs分別為93.4%、95.7%、99.5%和92.2%。這些結果證明了通過三維互聯(lián)、塑料晶體相平衡鋰離子輸運特性和通過彈性體基體平衡彈性對實現(xiàn)高穩(wěn)定和可逆的鍍/脫鋰的重要作用。

通過電化學懸浮實驗，考察了不同BA:SN比的PCEE的電化學穩(wěn)定性。將PCEE與鋰金屬負極和NMC-83正極配對組裝的全電池持續(xù)10小時充電至4.2至4.7 V（相對于Li+/Li）。在超過4.5 V的高電壓下，根據(jù)PCEE的fSN，電池顯示出不同水平的漏電流。例如，在4.5 V時，采用BA50的電池在保持10小時后表現(xiàn)出小于5 μA的穩(wěn)態(tài)漏電流，而采用BA40的電池的漏電流逐漸增加。這些結果表明，PCEE中耐高壓彈性體基體的連接結構能夠有效地抑制氧化反應，滿足高壓操作。接下來，在0.2 C和環(huán)境溫度下，2.7-4.3 V的電壓范圍內(nèi)測試了具有各種PCEE的全電池的循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)過100次循環(huán)后，BA70全電池保留了最高容量的54%（76 mAh g-1），平均CE為98.9%，BA60電池表現(xiàn)出更高的容量162 mAh g-1（其最高容量的87%），平均CE為99.3%（圖5b）。值得注意的是，具有BA50的全電池有著188 mAh g-1的高容量，并在第100個周期時保持了其最高容量的92.4%，具有99.5%的高CE（圖5c）。然而，具有BA40的電池的容量在100次循環(huán)后逐漸降低至37 mAh g-1（對應于20%的容量保持率），可能是由于BA40的不良機械性能。恒電流間歇滴定技術（GITT）進一步用于評估具有BA50和BA60電池的宏觀鋰離子擴散特性，其在100個循環(huán)后顯示出相當?shù)娜萘浚˙A50為174 mAh g-1，BA60在第100個循環(huán)為163 mAh g-1）（補充圖S16a-b）。用BA50循環(huán)的NMC-83正極的歐姆損耗的過電勢和過電勢差明顯小于BA60（補充圖S16c-d）。此外，與BA50（10-12-10-10 cm-2 s-1）循環(huán)的NMC-83正極在不同充電狀態(tài)（SoC）點的鋰離子擴散系數(shù)比BA60（10-13-10-11 cm-2 s-1）高10倍（補充圖S16e）。為了建立PCEEs的結構-性能-電化學性能關系，計算了以下類別的相對值：離子電導率，tLi+，機械彈性（斷裂伸長率），對稱Li電池的電壓滯后，和100循環(huán)后的全電池的容量保留（圖5d）。BA50顯示出優(yōu)異的循環(huán)性能，鋰離子輸運和力學性能更為平衡，表明BA50具有最佳的PCEE結構。在1 C的高速率下進一步評估了BA50電池的循環(huán)穩(wěn)定性，在250次循環(huán)后，電池容量保持在140 mAh g-1（最高容量的80%）（補充圖S17）。

3.6固態(tài)鋰金屬電池的性能

【圖6】固態(tài)鋰金屬電池的性能。a） 在0.1mA cm-2下，在2.7-4.3 V的電壓范圍內(nèi)，具有BA50的全電池的負載依賴性GCD曲線。將13和16.5 mg cm-2的NMC-83正極與35 μm厚的Li金屬負極配對制備全電池。b） 在環(huán)境溫度（20-30℃）下，本研究中開發(fā)的全電池的比能量（橙色）和先前報道的具有聚合物（綠色），無機（灰色）的電池，和復合電解質（藍色）。每個電池的比能是根據(jù)其重量（負極、固體電解質和正極）歸一化的，不包括電池外殼和集流體的重量。c） 傳統(tǒng)固態(tài)電解質和彈性電解質體系示意圖。彈性電解質系統(tǒng)包括薄鋰金屬負極，薄PCEE和高負載NMC-83。

為了進一步利用最優(yōu)化的PCEE（BA50）實現(xiàn)高能固態(tài)LMBs，對負極/正極容量（N/P）比《 2.7的全電池進行了電化學測試（35 μm厚鋰負極，25 μm厚BA50，高負載NMC-83正極（》13 mg cm-2））。具有13和16.5 mg cm-2 NMC-83正極的全電池在0.1 mA cm-2下分別提供2.7和3.3 mAh cm-2的高容量（圖6a）。具有最高NMC-83負載量（16.5 mg cm-2）的全電池在0.3 mA cm-2下有著2.3 mAh cm-2的高容量（補充圖S18）。復制電池進一步證明了BA50在高負載NMC-83正極下的穩(wěn)定運行（補充圖S19）。根據(jù)負極，正極和固體電解質的重量，計算了環(huán)境溫度下全固態(tài)LMB的比能量。具有BA50的全電池在環(huán)境溫度下表現(xiàn)出437 Wh kganode+cathode+electrolyte-1（742 Wh kgNMC-83-1）的高比能，這在以前報道的使用聚合物、無機和復合電解質的電池中是最高值（圖6b和補充表S1）。基于PCEE的全電池的高比能可歸因于薄Li金屬負極和彈性體電解質的重量輕，其替代了通常用于固態(tài)LMBs中的過量Li金屬負極和厚電解質（圖6c和補充圖S20）。預計通過從負極中最小化或消除Li金屬（例如，無負極）并使用優(yōu)化的富Li正極作為Li源，可以進一步增加電池的比能。

3、總結與展望

通過控制BA和SN相的體積比，制備了一種雙連續(xù)結構的PCEE，該結構在交聯(lián)彈性體基體中具有遠程連通性的高效離子傳導、塑料-晶體通道。具有不同BA:SN體積比的PCEEs的鋰離子傳輸行為被分為四個與塑料晶相的互連性相關的區(qū)域。塑料晶相的滲流閾值在區(qū)域2中，fSN在0.03和0.05之間，在區(qū)域4中形成了最佳的雙連續(xù)結構PCEE（fSN≥ 0.5）。雙連續(xù)結構的PCEE（BA50）表現(xiàn)出優(yōu)異的鋰離子傳輸性能（約1 mS cm-1; 在20°C下tLi+超過0.7），并且不會犧牲彈性體的機械彈性。與具有其他BA:SN比率的PCEEs相比，基于BA50的Li║Li對稱電池和全電池表現(xiàn)出顯著改善的Li電鍍/剝離性能，這揭示了平衡鋰離子傳輸和機械性能對于優(yōu)異的Li可逆性的重要性。使用此優(yōu)化的PCEE（BA50），35 μm厚的Li負極和高負載NMC-83正極的全電池實現(xiàn)了437 Wh kg anode+cathode+electrolyte-1的高能量密度。建立的彈性電解質體系的結構-性能-電化學性能關系為設計平衡鋰離子輸運和力學性能的SPEs提供了重要指導。審核編輯：郭婷