江西师大周炳华/王志朋、华科大薛志刚 Adv. Funct. Mater. : 稳定锂离子沉积的自愈合、可回收聚合物电解质

2023-01-29 来源：高分子科技

聚合物电解质存在因韧性不足发生脆裂的问题，其在电池组装和循环过程中发生破裂后将严重影响锂电池的电化学性能和使用寿命，甚至引发安全问题。为此，设计具有良好电化学性能的自愈合、可回收聚合物电解质对发展高性能锂金属电池技术具有重要意义。

构建四重氢键网络是制备了自愈合聚合物电解质材料的有效方法。然而，氢键是一类分子间作用力较弱的非共价键，其较低的键能导致自愈合聚合物电解质的力学性能偏低，难以抑制锂枝晶的形成，从而降低了聚合物电解质的循环稳定性。此外，锂沉积过程中锂离子在自愈合聚合物电解质内部和锂金属表面分布不均导致电解质与锂金属界面稳定性下降仍然是一个富有挑战性的问题。

针对上述挑战，江西师范大学周炳华博士、王志朋研究员联合华中科技大学薛志刚教授利用硫醇和环氧基的热引发开环反应，成功制备了具有优异力学性能和界面稳定性的基于动态硼酸酯键自愈合聚合物电解质（DB-SHPEs）。交联网络可有效改善聚合物电解质的力学性能，结构中动态硼酸酯键交联网络可通过交换反应实现聚合物网络重排赋予电解质材料自愈合性能（图1）。在材料受到外力或自身应力出现裂纹时能进行高效修复，延长锂金属电池的使用寿命。借助硼酸酯键中硼原子与阴离子的相互作用，促使锂离子均匀分布于电解质内部和锂金属表面，诱导形成稳定的固态电解质界面，从而有效提高了电解质材料与锂金属的界面稳定性。

图1. DB-SHPEs的制备、自愈合机理以及硼酸酯与锂盐的相互作用示意图。

将两个半圆电解质样品进行接触并小心按压使其紧密接触，60 ^oC下经3 h后聚合物的断裂界面基本消失，愈合后的聚合物膜可承受500 g的重量，表明DB-SHPEs具有良好的自愈合性能（图2a-e）。此外，借助硼酸酯的交换反应，DB-SHPEs结构中的硼酸酯键能够赋予聚合物电解质可回收和可加工性（图2h）。回收后的聚合物电解质表现出稳定的离子电导率，表明DB-SHPEs同时具有良好的可回收性能。

图2. DB-SHPEs的自愈合、可循环性能测试。

聚合物电解质与电极之间的界面兼容性是影响锂金属电池的重要性能。采用Li/DB-SHPE-5/Li对称电池的恒电流锂沉积循环实验评估DB-SHPE-5与锂金属的界面稳定性。Li/DB-SHPE-5/Li对称电池在0.1 mA cm^-2电流密度下循环1200 h仍然表现出稳定的极化曲线（图3a）。为研究DB-SHPE-5基电池在不同电流密度下的倍率循环性能，对电池继续施加0.1，0.2，0.5和1 mA cm^-2的电流密度，循环超过500 h电池内部无短路现象出现（图3b）。结果表明，DB-SHPE-5与锂金属具有良好的界面稳定性，可保证锂金属电池的长期循环稳定性。

图3. Li/DB-SHPE-5/Li对称电池的界面稳定性表征。

近日，该研究成果在线发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater., 2023, 2212005）上。江西师范大学周炳华博士为论文的第一作者和通讯作者，王志朋研究员和华中科技大学薛志刚教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

论文信息：

Binghua Zhou^*, Tingzhi Deng, Chaolong Yang, Mingxi Wang, Huan Yan, Zhen Yang, Zhipeng Wang^*, Zhigang Xue^*. Self-Healing and Recyclable Polymer Electrolyte Enabled with Boronic Ester Transesterification for Stabilizing Ion Deposition. Adv. Funct. Mater., 2023, 2212005.

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212005

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（责任编辑：xu）

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