利用扫描探针显微镜技术揭示基于聚合物的固体电解质的纳米级弹性和粘附性

《Applied Surface Science》：Revealing the nanoscale elasticity and adhesion of polymer-based solid electrolytes by scanning probe microscopy techniques

聚合物基固体电解质的纳米力学性能研究：通过扫描探针显微镜分析发现，无机颗粒增强的复合电解质在高温下锂盐溶解度提高，实现机械强度与离子电导率的平衡优化，界面粘附性达数MPa，为高安全锂金属电池开发提供新思路。

　　在新能源技术快速发展的背景下，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命以及无记忆效应而成为当前主流的储能设备之一。然而，传统有机液态电解质在实际应用中暴露出诸多问题，例如安全风险、能量密度接近极限以及在抑制锂枝晶生长方面的性能不足。这些问题促使科研人员积极探索替代方案，其中聚合物基固态电解质（SEs）因其高安全性、良好的柔性和与电极材料的强附着力而备受关注。本文通过先进的扫描探针显微镜（SPM）技术，深入研究了聚合物基固态电解质的纳米机械性能，包括弹性和附着力，从而为未来电解质的微观结构和成分设计提供了理论依据和实验支持。

聚合物基固态电解质通常由锂盐溶解在聚合物基质中构成，其中锂离子可以在聚合物链段的运动过程中迁移。然而，这类电解质在常温下的离子迁移速率较低，这主要归因于聚合物链段运动与离子传输之间的紧密关联。因此，目前大多数聚合物基电解质需要在较高温度（如约60°C）下运行，以确保离子的高活性。但高温会引发聚合物机械性能的下降，导致电解质无法有效支撑自身结构或在正负极之间形成稳定的界面。例如，聚环氧乙烷（PEO）作为研究较多的体系，其离子导电性可以通过添加增塑剂或引入功能基团来提升，但这些方法往往以牺牲机械性能为代价，从而形成离子导电性与机械强度之间的权衡问题。

为了解决这一难题，研究者们开始尝试通过引入添加剂或填料来改善聚合物基电解质的综合性能。这种策略不仅可以增强电解质的电化学特性，还能提升其结构稳定性和机械强度。然而，尽管已有大量研究关注添加剂对离子导电性的贡献，对其对机械性能的具体影响仍缺乏系统性探讨。这使得设计兼具高离子导电性与优良机械性能的新型复合电解质成为一项挑战。

在评估固态电解质的机械性能时，通常采用显微镜拉伸强度、杨氏模量和剪切模量等参数。动态机械分析仪（DMA）被广泛用于研究聚合物网络的拉伸模量。然而，锂金属在充放电过程中会经历显著的体积变化，这会导致电解质与电极界面之间出现空隙，进而影响附着力。因此，固态电解质不仅需要具备足够的模量，还应具有良好的附着力，以有效抑制锂枝晶的生长。附着力通常与粘性和粘附性相关，但直接测量固态电解质的附着力仍然存在技术挑战，特别是在纳米尺度上。

针对上述问题，本文采用扫描探针显微镜（SPM）技术，特别是纳米压痕和多频率SPM方法，对聚合物基固态电解质的纳米机械性能进行了系统研究。SPM技术以其高分辨率成像和力探测能力，为研究材料的机械行为提供了强有力的支持。通过SPM技术，研究人员能够更精确地分析材料在纳米尺度上的弹性分布和附着力特性，从而揭示其内部结构与性能之间的关系。

在本研究中，选择了一种基于双酚A乙氧基二甲基丙烯酸酯（BAED）的复合固态电解质作为模型体系。这种电解质在常温下表现出良好的电化学稳定性，并且可以通过紫外光诱导固化方法实现原位聚合，从而构建稳定的电池单元。通过使用先进的SPM技术，研究人员对不同锂盐浓度的聚合物基电解质进行了定量分析，并探讨了其在不同温度条件下的机械性能变化。结果表明，锂盐浓度对电解质的弹性分布具有显著影响，而对附着力的影响则相对较小。此外，随着温度的升高，锂盐的充分溶解使得聚合物电解质能够同时实现高弹性和高附着力。

值得注意的是，研究还发现，复合电解质的界面区域表现出独特的中等弹性但极高的附着力。这种现象可能与无机填料在聚合物基质中的分布以及其与聚合物之间的相互作用有关。无机填料的引入不仅提高了复合电解质的机械强度，还增强了其与电极材料之间的界面附着力。因此，合理设计填料的种类、含量和分布，对于优化复合电解质的性能具有重要意义。

本研究通过分析SPM力-距离曲线和双模式原子力显微镜（Bimodal AFM）方法，揭示了不同微观成分在复合电解质中所表现出的机械性能差异。这一发现为理解聚合物基固态电解质的机械行为提供了新的视角，并为未来设计高性能的固态电解质提供了理论指导。通过深入研究纳米尺度上的机械性能，研究人员能够更精准地调控电解质的结构和成分，从而实现更优的电化学性能和机械稳定性。

此外，本研究还强调了温度对聚合物基电解质机械性能的影响。随着温度的升高，锂盐的溶解度增加，使得聚合物基电解质能够表现出更高的离子活性和机械性能。然而，温度升高也可能导致聚合物结构的改变，因此需要在保证离子导电性的同时，避免因温度过高而引发材料性能的不稳定。这种温度依赖性的研究对于开发适用于不同工作环境的固态电解质具有重要价值。

综上所述，本研究通过先进的SPM技术，对聚合物基固态电解质的纳米机械性能进行了系统分析。研究结果表明，锂盐浓度和填料的引入对电解质的弹性分布和附着力具有重要影响，而温度的升高则能够有效提升其机械性能。这些发现不仅加深了对聚合物基固态电解质机械行为的理解，还为未来设计兼具高离子导电性和优良机械性能的新型电解质提供了理论依据和技术支持。通过优化电解质的微观结构和成分，研究人员有望进一步推动固态电池技术的发展，使其在安全性和能量密度方面达到新的高度。