上海交大付超鹏AFM：动态分级氢键网络构筑自修复聚合物，推动铝电池实用化进程

随着大规模储能和智能电网的快速发展，能源存储技术面临更高要求。尽管锂离子电池已广泛应用于便携电子设备和电动汽车，但其安全风险和资源稀缺性促使学界寻求更安全、经济的替代方案。铝电池凭借铝金属的理论体积容量（8040 mAh cm⁻³）、高安全性、低成本和储量丰富等优势成为极具前景的储能体系。然而，液态铝电池仍受枝晶生长、电解液腐蚀泄漏及副产气等问题的严重制约，限制了其实际应用。开发兼具稳定性和长循环寿命的聚合物电解质成为解决这些瓶颈的关键。

上海交通大学付超鹏研究员团队在《先进功能材料》发表最新研究，成功设计出一种基于动态分级氢键网络的自修复凝胶聚合物电解质（SHGPE）。该电解质由N-异丙基丙烯酰胺（NIPA）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和离子液体（AlCl₃/[EMIM]Cl）通过无溶剂紫外引发聚合制备。其独特的氢键网络不仅赋予材料优异的自修复能力，还显著抑制了离子液体的腐蚀性和泄漏风险。基于该电解质的铝对称电池在0.5 mA cm⁻²下稳定循环超过8000小时，铝/石墨全电池在2 A g⁻¹下实现50,000次超长循环，为铝电池的实用化提供了突破性解决方案。

核心设计与性能验证

研究团队通过¹H NMR和FTIR光谱证实了SHGPE中多级氢键网络的形成（图1）：NIPA的酰胺基（-CONH-）与DMAA的羰基氧形成分子间氢键，同时聚合物链与[EMIM]Cl中的咪唑阳离子产生键合作用。这种动态网络使材料具备卓越的机械性能——当NIPA与DMAA摩尔比为1:1.5时（SHGPE1:1.5），电解质断裂应变达1275%，断裂应力为0.98 MPa（图2a）。更引人注目的是其自修复特性：切断的电解质片在室温接触6小时后可承受100g重量（图2b），12小时内切口几乎完全愈合（图2c,d），这归因于氢键的动态断裂与重组（图1a）。

图1SHGPE膜的设计与表征。a) SHGPE中氢键相互作用示意图。b) NIPA与NIPA-DMAA的¹H NMR谱图。c) [EMIM]Cl与SHGPE的¹H NMR谱图。d-f) SHGPE、聚(NIPA-co-DMAA)和[EMIM]Cl的FTIR光谱。

图2a) 不同NIPA/DMAA摩尔比SHGPE的应力-应变曲线。b) SHGPE室温修复过程及愈合后承重100g的照片。c,d) SHGPE膜断裂态与愈合态的光学显微镜图像。e) SHGPE离子电导率的温度依赖性。f) 扫描速率为1 mV s⁻¹时铝沉积/剥离的循环伏安曲线。

电化学性能突破

SHGPE的离子电导率达7.60×10⁻³ S cm⁻¹（20℃），活化能仅0.063 eV（图2e），显著低于文献报道值。在铝对称电池测试中（图3），SHGPE基电池在0.5 mA cm⁻²下稳定运行8000小时，而传统离子液体（IL）基电池仅177小时即短路。原位光学显微镜显示（图3e），IL电解质中铝沉积60分钟后出现明显枝晶，而SHGPE组则呈现均匀致密沉积层。激光共聚焦显微镜（图3f）进一步证实SHGPE有效抑制了电极表面突起，这得益于氢键网络促进的均匀离子传输和自修复机制对微裂纹的即时修复。

图3电解质与铝负极界面稳定性。a) Al/SHGPE/Al与Al/IL/Al电池在0.1 mA cm⁻²下的恒流循环曲线。b) Al/SHGPE/Al电池在不同电流密度下的电压曲线。c) Al/SHGPE/Al、Al/PNE/Al与Al/IL/Al电池在0.5 mA cm⁻²下的循环对比。d) 铝对称电池循环性能与文献对比。e) 原位光学显微镜观察IL与SHGPE中的铝沉积过程。f) 循环后铝负极的3D激光共聚焦显微镜图像。

全电池与实用化演示

铝/石墨全电池在0.05–2.5 A g⁻¹宽电流范围内展现优异倍率性能（图4b），并在2 A g⁻¹下实现50,000次循环（图4d），容量保持率稳定且库仑效率>99.5%。即使将SHGPE切断后自修复重新组装，修复后全电池循环5000次仍保持67.1 mAh g⁻¹容量（图4f）。通过原位拉曼（图5a,b）和XPS分析（图5d-f），团队揭示了氯铝酸阴离子在石墨层间的可逆嵌入/脱出机制。软包电池演示验证了实用性：弯曲、缠绕甚至切割后（图6d），电池仍能点亮LED；切割后的未封装电池在空气中稳定循环4000分钟（图6e,f），并成功为手机充电（图6g）和智能手表供电（图6h,i）。此外，SHGPE具备阻燃特性，且有效抑制电池膨胀），解决了液态体系的产气难题。

图4Al/SHGPE/Graphite全电池电化学性能。a) 扫描速率1 mV s⁻¹下前三圈CV曲线。b) 0.5–2.5 A g⁻¹电流密度下的倍率性能。c) 不同电流密度下的充放电曲线。d) SHGPE、PNE和IL在2 A g⁻¹下的长循环稳定性。e) SHGPE与近期准固态电解质循环性能对比。f) 自修复SHGPE组装的电池在2 A g⁻¹下循环性能（插图为SHGPE修复过程）。

图5石墨正体结构演变。a,b) 充放电过程中石墨正极的原位拉曼光谱。c) 原始/充电态/放电态石墨正极的SEM及Al、C、Cl元素分布图。d-f) 石墨正极Al 2p、Cl 2p和C 1s的XPS谱图。

图6Al/SHGPE/Graphite软包电池演示。a-c) 原始态、切断态及愈合态软包电池输出电压测试（插图为结构示意图）。d) 软包电池在弯曲、缠绕、切割条件下的工作状态。e) 切割后未封装电池照片。f) 暴露空气中的充放电曲线。g) 为手机充电演示。h,i) 柔性软包电池驱动电子手表。

应用前景展望

该研究通过构建动态分级氢键网络，为铝电池开发出兼具自修复、高离子电导和界面稳定性的凝胶电解质。8000小时对称电池循环与50,000次全电池循环的突破性数据，标志着铝电池向实用化迈出关键一步。这种自修复设计不仅为长寿命储能系统提供了新策略，更为柔性可穿戴设备的发展奠定了材料基础，有望推动高效移动电子设备的革新。

来源：高分子科学前沿

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