广东
导读
近日，华南师范大学化学学院的郑奇峰教授团队在锂电池聚合物电解质领域取得了重要研究进展，相关成果以“In-situ polymerization of 1,3-dioxane as highly compatible polymer electrolytes to enable 4.5 V Li-metal batteries”为题，发表在能源顶级期刊《Energy & Environmental Science》上 (DOI: 10.1039/D3EE02797J)。论文第一作者为华南师范大学硕士研究生刘洋和邹汉琴同学，通讯作者为郑奇峰教授和青年英才丁奎老师。
锂金属电池能量密度高，但金属锂存在热力学不稳定，与传统有机液态电解质会发生持续的副反应，造成电池循环寿命差、库伦效率低。此外，有机液态电解质易挥发、易燃等问题使得锂金属电池存在较大的安全隐患。固态电解质能较好的解决这些瓶颈问题，但固态电解质和电极之间的固-固界面接触差，限制了其实际应用。
基于此，华南师范大学化学学院郑奇峰教授团队借鉴有机液态电解质中“弱溶剂化”作用的概念，通过弱溶剂化的1,3-二氧六环（DOX）单体开环聚合，原位聚合制备了聚-1,3-二氧六环（P-DOX）电解质（图1）。其延长的烷基链降低了HOMO能级，使得P-DOX展示出非常优异的氧化稳定性（> 4.7 V），此外，延长的烷基链也削弱了分子的溶剂化能力，这不仅使P-DOX具有更高的锂离子迁移数（0.75），而且有助于形成高度坚固且锂离子传导性好的富含无机物的SEI膜。因此显著提升了聚合物电解质与锂金属之间的界面兼容性，使得锂的沉积形貌非常致密且光滑，并且获得了超过1300小时的优异锂沉积/剥离稳定性。
图1. 高电压聚合物电解质的合理设计与原位制备
得益于上述优点，P-DOX固态电解质在包括NMC111、NMC811和LiCoO2在内的各类高电压正极材料的电池中，在4.5 V的高截止电压下，均展示出非常优异的循环稳定性（图2）。此外，其制备方法与商业化电池的组装和制造工艺相同，因此具有很好的商业化前景。该研究表明，通过调控单体分子的结构可以有效提高聚合电解质的氧化稳定性和锂金属兼容性，为高比能锂电池用聚合物电解质的设计提供了新思路。
图2. 高电压锂金属全电池的电化学性能
论文的主要通讯作者郑奇峰教授是华南师范大学2019年引进的青年拔尖人才，先后入选广东省杰出青年基金、国家高层次青年人才等项目，现为广东省工程中心主任，广东省高校-企业联合研究生培养示范基地负责人，教育部工程中心主任助理。长期从事电化学储能材料方面的研究，主要研究方向为二次电池用电解质材料的开发，以匹配电池高能量密度与高安全性的发展需求。近年来以第一/通讯作者在Nat. Energy, Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Nano Lett., ACS Energy Lett.等化学和能源领域的知名期刊上发表论文40余篇。主持国家、省部级等重要科研项目10余项。承担多家企业的技术委托项目，通过产学研合作，服务广东乃至全国的新能源企业，为提升电池能量密度、寿命及安全性提 供技术解决方案。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d3ee02797j/unauth
来源：华南师范大学
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