苏州纳米所沈炎宾团队Angew：阴离子调制——设计适用于高电压固态锂金属电池的聚合物电解质

聚合物电解质具有良好的柔性，可与电极材料形成低阻抗界面，在固态电池中具有良好的应用前景。然而，聚合物电解质通常室温电导率较低，且电化学窗口较窄，不适用于高比能固态锂金属电池。因此，开发具有高离子电导率和良好界面相容性的聚合物电解质是固态电池领域的重要研究方向之一。

近日，中国科学院苏州纳米所的沈炎宾研究员团队提出一种阴离子调制聚合物电解质（后称为AMPE）设计概念，研制了同时兼顾高电压正极和锂负极界面稳定性，且室温电导率高的聚合物电解质，在高电压固态锂金属电池中获得了良好的循环稳定性。具体来讲，该工作采用耐高电压且具有高电荷密度的离子液体单体为聚合物骨架，以确保聚合物链的在正极侧的高电压耐受性和足够的载流子。为了解决聚离子液体电解质电荷密度集中且锂盐解离能力弱的问题，该工作引入阴离子受体，利用其缺电子基团锚定离子液体单体上的阴离子，促进电解质中阴离子的均匀化分布，并提高电解质的锂离子迁移数，同时帮助解离锂盐阴阳离子对，促进自由锂离子的生成。更重要的是，理论计算和实验研究发现，阴离子受体中缺电子基团与锂盐阴离子TFSI⁻之间的强相互作用降低了锂盐阴离子的LUMO，使其更容易在锂金属负极上被还原分解形成稳定的电解质界面层，提高锂金属负极的循环稳定性。通过以上设计，获得的AMPE具有高的离子电导率（3.80 × 10⁻⁴ S cm⁻¹），较高的锂离子迁移数（0.41），宽的电化学稳定窗口（5.55 V），并能够有效抑制锂枝晶的生长。因此，固态Li|AMPE|LiCoO₂电池在4.40 V/0.20 C下实现了700次的长循环寿命。该文章的第一作者是中国科学院苏州纳米所赵礼仪博士，通讯作者为中国科学院苏州纳米所沈炎宾研究员。

图1. 阴离子调制聚合物电解质的设计和特征

图2. 阴离子衍生SEI的机理研究

图3. AMPE对高电压正极和锂金属负极的兼容性

图4. 锂金属负极SEI的化学组成和分布

图5. 高电压Li|AMPE|LCO电池的电化学及安全性能

综上所述，本工作利用阴离子受体调制耐高电压的离子液体电荷密度，设计出了一种高性能聚合物电解质。阴离子受体助力解离阴阳离子对促进游离锂离子的生成，且阴离子锚定效应将锂离子迁移数从0.13提高到0.41。同时阴离子缺电子基团与TFSI⁻之间的强相互作用促进了TFSI⁻的还原分解，在锂负极表面形成电化学稳定的SEI，提高了高电压锂金属电池的循环稳定性。该设计策略为设计领域研发高比能锂固态电池用聚合物电解质提供了新的思路。 

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Anion Modulation: Enabling Highly Conductive Stable Polymer Electrolytes for Solid-State Li-Metal Batteries

Liyi Zhao, Qingyu Dong, Yueqi Wang, Guoyong Xue, Xuechun Wang, Zhiyun Li, Hui Shao, Hongwei Chen, Yanbin Shen,* and Liwei Chen

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202412280

作者信息

通讯作者：沈炎宾，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，博士生导师，入选中组部青年拔尖人才、江苏省双创人才，获得苏州市五一巾帼标兵等荣誉。本科毕业于哈尔滨工业大学，硕士/博士毕业于丹麦奥胡斯大学。长期从事电化学储能材料可控合成，电极材料界面化学调控，固态电解质材料等研究。至今已在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Joule等期刊发表研究论文~100篇，共同翻译《固态电化学》书籍1部，是30余项中外发明专利的发明人，主持国家省市各级基金和产业界横向合作项目十余项。兼任《电化学》、《物理化学学报》、《电源技术》期刊青年编委和客座编辑、中国电子节能技术协会电池专委会专家委员、中国科学院国际合作专家库技术专家、苏州市新能源及绿色产业质量创新联合体专家等。

第一作者：赵礼仪，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，博士后。中国科学技术大学博士毕业，第一作者论文7篇 (Angew. Chem., Energy Storage Mater., Chem. Eng. J.等)，发明专利3项，主持国家自然科学基金青年基金，入选江苏省卓越博士后计划，荣获国家奖学金、校优秀毕业生、博士一等奖学金等荣誉。主要研究方向为多功能聚合物电解质、固态正极界面调控、高比能高安全锂金属电池等。

团队信息

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所“二次电池界面材料化学”沈炎宾研究员团队，共有工作人员及研究生30余人。实验室面积1500平方米，拥有完备的电池材料及器件制备、测试、及失效分析的能力。团队主要致力于解决锂/钠电池界面化学、力学、及热稳定性问题，通过界面失效机制研究与界面材料设计，构筑高比能高安全的液态和固态锂/钠电池。欢迎相关专业的硕士生、博士生和博士后加盟！（联系邮箱ybshen2017@sinano.ac.cn)