近日，崔光磊研究员带领团队在高能锂金属电池原位固态化聚合物电解质和新型锂枝晶抑制剂功能添加剂研究方面获得重要进展。相关成果分别发表在Energy & Environmental Science《能源和环境科学》和Advanced Materials《先进材料》上。
发展理论能量密度超过500 Wh kg-1的锂金属电池（LMBs）备受关注。然而，由于锂负极的强还原能力，传统的商品化碳酸酯基电解质与锂负极之间的寄生副反应严重，会导致一系列严重的问题，如锂枝晶生长和锂负极粉化，最终造成LMBs的安全性和循环寿命大大降低。此外，正极界面反应副产物的不可控串扰也会加剧锂负极的失效。因此，采用先进表征技术阐明LMBs性能衰减微观机制，并利用新的技术开发新型电解质体系至关重要。
为解决上述问题，进一步发展固态能源系统技术中心提出的原位固态化技术。首次制备了以新型铝为中心的新型锂盐， 并利用该锂盐作为单体热诱导原位固态化，在LMBs中构建了3D单离子导体聚合物电解质（缩写为3D-SIPE-LiFPA）（Energy Environ. Sci., 2023, 16, 2591–2602）。3D-SIPE-LiFPA与常规聚合物电解质相比具有更加独特的结构特征，从而促进了其在锂负极表面形成富含LiF和含Al物种的保护性固体电解质界面（SEI层）。电化学测试和绝热加速量热仪测试表明，3D-SIPE-LiFPA使得高能量密度软包型LMBs（437 Wh kg-1）的循环寿命和安全性能大幅提高，这项工作将是聚合物电解质促进LMBs发展的一个重要里程碑。
此外，该进展创新地设计并合成了新型高氟化硼中心大阴离子钾盐（二全氟频哪醇硼酸钾，KFPB）（Adv. Mater. 2023, 2301312），并将其作为抑制锂枝晶功能添加剂，显著提升碳酸酯基电解质与锂负极之间的兼容性。KFPB对电解质溶剂化结构的调控和其在锂金属负极上的优异吸附能力，促进了高离子传导且牢固稳定的SEI膜的形成。在KFPB添加剂辅助下，碳酸酯基电解质可以使高面容量LMBs具有优异的长循环稳定性，利用该技术开发的宽温区锂金属电池能量密度超过550 Wh kg-1, 特别适合深空无人机应用场景，该技术在植保无人机上也做了长期示范。本工作揭示了设计合成新型功能添加剂调控碳酸酯基电解质溶剂化结构对于提升电解质与锂负极之间界面兼容性的重要意义。
这两项工作的第一作者均为2020级直博生张圣行，通讯作者为崔光磊研究员、许高洁副研究员和崔子立副研究员。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略先导项目、山东省自然科学基金等项目的支持（文/图 张圣行 许高洁 崔子立）
原文链接1：https://doi.org/10.1039/d3ee00558e
Shenghang Zhang, Fu Sun, Xiaofan Du, Xiaohu Zhang, Lang Huang, Jun Ma, Shanmu Dong, Andre Hilger, Ingo Manke, Longshan Li, Bin Xie, Jiedong Li, Zhiwei Hu, Alexander C. Komarek, Hong-Ji Lin, Chang-Yang Kuo, Chien-Te Chen, Pengxian Han, Gaojie Xu
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, Zili Cui
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, Guanglei Cui
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, Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/d3ee00558e.
图1. 原位聚合锂盐作为新型聚合物电解质开发高安全锂金属电池
原文链接2：https://doi.org/10.1002/adma.202301312
Shenghang Zhang
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, Xiangchun Zhuang
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, Xiaofan Du, Xiaohu Zhang, Jiedong Li, Gaojie Xu
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, Zhongqin Ren, Zili Cui
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, Lang Huang, Shitao Wang, Fu Sun
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, Lixin Qiao, Shanmu Dong, Guanglei Cui
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, Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202301312.
图2. 新型钾盐添加剂调控碳酸酯基电解质溶剂化实现锂负极的有效保护
