單鋰離子導電聚電解質(zhì)（SICs）具有沿其主鏈共價連接的反陰離子的特點，可通過降低濃度極化和防止鹽耗竭來減輕枝晶的形成。然而，由于它們的低離子電導率和復雜的合成過程，在鋰金屬負極電池中成功實現(xiàn)這些聲稱的優(yōu)勢仍然有限。

加州大學爾灣分校忻獲麟等通過利用無溶劑、紫外線誘導的自由基聚合法，實現(xiàn)了由包含可離子化單體、交聯(lián)劑和低聚聚環(huán)氧乙烷增塑劑（PEG250）的前體溶液一鍋生產(chǎn)SIC電解質(zhì)。研究顯示，PEG250增塑劑的加入有效地促進了鏈段運動，因此其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）從8.3℃顯著降低到-77.2℃。

此外，這種加速的鏈段弛豫降低了離子傳導的能壘和活化能，結(jié)果所得聚電解質(zhì)在30℃時產(chǎn)生7.4×10^-5 S/cm的良好離子電導率，在60℃時產(chǎn)生1.9×10^-4 S/cm的優(yōu)良離子電導率。另外，合成的SIC膜表現(xiàn)出0.85的高t+，這比具有相同聚合物化學但不同陰離子構(gòu)型的基準雙離子導體（DIC）電解質(zhì)（0.39）高出兩倍。

圖2 電解質(zhì)的離子傳輸動力學

實驗顯示，SIC中陰離子的高t+和均勻分布使得臨界電流密度提高到2.4mA/cm²。相反，由于電極附近的嚴重濃度極化和鹽耗盡，基準DIC在0.8mA/cm²時經(jīng)歷軟短路。

進一步通過原位光學顯微鏡，作者觀察到SIC的高t+也促進了鋰沉積形成光滑致密的形態(tài)。低溫透射電子顯微鏡（Cryo-TEM）也進一步揭示了鋰沉積的非枝晶納米形態(tài)，其具有均勻堆積的鋰圓頂，由致密的SEI層緊密保護。得益于這種高t+和改進的鋰沉積形態(tài)穩(wěn)定性，采用SIC的Li||LiFePO₄全電池在0.5℃和室溫下表現(xiàn)出4500次循環(huán)的良好耐久性。

圖3 鋰金屬電池的實用性

Anion-tethered Single Lithium-ion Conducting Polyelectrolytes through UV-induced Free Radical Polymerization for Improved Morphological Stability of Lithium Metal Anodes. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202308309