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上海交大梁正课题组Angew：具有能量耗散机制的机械互锁聚合物助力长循环锂金属电池-附招聘信息

时间：2022-11-06 来源：浏览：

上海交大梁正课题组Angew：具有能量耗散机制的机械互锁聚合物助力长循环锂金属电池-附招聘信息

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收录于合集

第一作者：赵骏、洪敏

通讯作者：梁正

通讯单位：上海交通大学

【研究背景】

聚合物材料因其独特的“软物质”性质，在涉及二次电池的诸多领域中（例如隔膜、固态电解质、粘结剂、封装层等）已经取得了广泛而重要的应用，提供了独特的机械性能、离子电导、黏附力、结构稳定性。然而，随着下一代高比能电池体系的开发和确立，越来越多的高比能电池材料在充放电过程中会伴随着巨大的周期性体积变化或枝晶穿刺，传统的聚合物体系在一定程度上无法有效应对，这便驱使研究人员去设计开发具有先进功能的新型聚合物体系。针对这一问题，广泛采用的思路是采用刚度更高的聚合物材料，通过其本身高强度的特性来抑制电池材料的体积膨胀或是负极的枝晶穿刺，这些材料在短循环周期内往往可以起到很好的效果。但在长循环条件下，电池材料周期性的体积变化带来的反复载荷施加势必会导致材料内部应力的集中和积累，最终丧失对电池材料的保护作用。

【主要内容】

对此，上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正课题组另辟蹊径，采取“堵不如疏”的策略——即引入具有能量耗散功能的机械互锁聚合物网络（Mechanically Interlocked Network, MIN）作为电池材料保护层，对充放电过程中电池材料反复膨胀或枝晶生长产生的机械应力进行耗散，实现电池材料的长效稳定。该工作以锂金属电池为例，将基于[2]轮烷的MIN作为锂金属负极界面层。通过网络中高密度的[2]轮烷单元在外力下发生的主客体解离与分子内滑动，耗散由于锂金属反复沉积/剥离所带来的体积变化对界面层施加的应力，避免了应力在聚合物界面层中的集中与积累，实现了机械互锁聚合物界面层在循环往复的负极侧锂沉积/剥离时保持结构完整性，因而获得了可长循环的锂金属电池。

相关研究成果以“ Durable Lithium Metal Anodes Enabled by Interfacial Layers Based on Mechanically Interlocked Networks Capable of Energy Dissipation ”为题发表在 Angew. Chem. Int. Ed. （德国应用化学）上，第一作者为上海交通大学博士研究生赵骏、博士后洪敏。

图1. 机械互锁聚合物界面层的设计、合成与作用机制。

【内容详解】

本文首先设计合成了含烯烃的[2]轮烷分子，将其与侧链带有巯基的PMMS混合后，通过光固化反应获得MIN材料，并表征了其机械性能。结果显示，与非互锁对照材料相比，MIN体现出更高的杨氏模量、断裂强度以及韧性。同时，由于[2]轮烷机械互锁结构相应的主客体解离与分子内运动， MIN材料展示出独特的能量耗散特性。通过宏观的针刺实验可知，具备能量耗散能力的MIN表现出更优的抗穿刺能力。

图2. 机械互锁聚合物材料的宏观力学性能。

随后，通过在锂片表面通过旋涂与光固化反应制备得到100nm厚的锂金属负极界面层，在MIN界面层的保护下，锂在铜集流体表面形成了紧实完整的堆积层。即使在多次反复沉积/剥离后，MIN膜完好无损，保持了结构完整性和界面稳定性。相对应地，无MIN界面层或非互锁对照材料界面层均在多次循环后失效。

图3. 机械互锁聚合物界面层保护的锂金属负极的制备过程。机械互锁界面层保护下，在铜集流体表面锂离子的沉积形貌（e-g）与在未经修饰的铜集流体表面锂离子的沉积形貌（h-j）。

电化学测试表明，使用MIN修饰的锂片组成的对称电池在1 mA/cm ² 条件下的循环寿命达到了1500小时。同时，以MIN修饰的锂负极与磷酸铁锂正极组成的全电池在1 C下稳定循环超过500次，容量保留率为88%，大大优于使用非互锁对照材料作为界面层或未经修饰的锂负极的电池。

图4. 对称电池与全电池的电池性能。

作者将这种在高容量和长循环条件下优异的循环稳定性，归因于 MIN中通过分子内动态行为所带来的能量耗散能力，避免了锂反复沉积/剥离过程中，由锂枝晶挤压界面层所产生的应力集中并消耗了对界面层施加的能量。同时，通过有限元分析进一步模拟了这一过程，结果显示具备耗散能力的界面层，在相同的锂枝晶侵入深度下表现出更低的应力与更为均匀的应力分布，从而有力地证明了能量耗散作用对保持MIN界面层完整与锂金属负极长效循环稳定的重要性。

图5. 锂枝晶对耗散与非耗散界面层挤压过程的有限元模拟。

【全文总结】

总而言之，本工作将机械互锁聚合物用作锂金属负极界面层，通过机械互锁聚合物良好的机械性能以及独特的能量耗散能力，抑制了在电池长循环过程中由锂反复沉积/剥离带来的电极材料体积膨胀与枝晶生长，从而实现了锂金属电池的长循环稳定性。可以预见的是，在广泛的高比能电池体系中，电池材料巨大的周期性体积变化是一个系统性存在的问题。相比着眼于设计高模量聚合物材料来应对单次的体积膨胀或枝晶穿刺，电池材料的周期性体积变化更值得关注。而通过该工作，作者证明具备独特能量耗散机制的机械互锁聚合物可对这一问题给出很好的应对。因此作者预期，机械互锁聚合物网络可在其他涉及抑制电池材料体积变化的领域展示出更巨大的潜力，正所谓：高比能二次电池是一片广阔的天地，机械互锁可以大有作为。

【文献详情】

Jun Zhao ^# , Min Hong ^# , Zhijin Ju, Xuzhou Yan, Yanzhe Gai, and Zheng Liang*, Durable Lithium Metal Anodes Enabled by Interfacial Layers Based on Mechanically Interlocked Networks Capable of Energy Dissipation. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202214386.

https://doi.org/10.1002/anie.202214386

姓名：梁正

单位/所在学院：上海交通大学变革性分子前沿科学中心

手机联系方式：13681669868

邮箱： l iangzheng06@sjtu.edu.cn

附招聘信息：

上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正课题组招聘博士后及科研助理若干名，担任课题负责人和核心团队成员，欢迎具备化学、材料、化工等学科背景的青年学者加入我们的团队。本课题组是一个团结温馨、朝气蓬勃、富有战斗力的团队。

（一）招聘领域

锂金属电池方向：

方向一：聚合物/无机固态电解质开发

方向二：复合金属锂负极

方向三：锂金属电池电解液与添加剂开发

方向四：锂负极界面调控与界面优化

计算材料学方向：

包括但不限于分子动力学、第一性原理等等

胶乳粘合剂方向：

方向一：丁苯吡胶乳开发与改性。丁苯吡胶乳是丁二烯、苯乙烯和乙烯基吡啶三元乳液共聚产品，由于其含有极性很高的2-乙烯基吡啶单体，所以是各种纤维和橡胶的优良粘结剂，广泛用作浸渍各种轮胎、胶带、胶管等的骨架材料，如帘线、帘布和线绳等，是轮胎及其它橡胶纤维制品不可缺少的配套材料

方向二：橡胶用粘合剂开发与改性。以异氰酸酯或异氰酸酯基为核心的水性粘合剂。属于提高合成纤维表面活性的复合材料，可有效提高聚酯帘线等与橡胶之间的粘合力，可应用于橡胶行业。

工业催化方向：

用于煤化工/石油化工/尼龙化工关键反应的催化剂合成（包括但不限于有色金属催化剂，如铜锌铝、镍基等；贵金属催化剂如钌基苯加氢、钌基脱硫、铂基脱硫、钯基脱硫、钯碳、钯基脱氧、钯基氢化；纳米/单原子催化）

（二）应聘要求

博士后：

1、符合上海交通大学博士后基本申请条件。在知名高校或科研院所获得化学、化工、材料学或其他相关专业博士学位，或近期能顺利答辩获得博士学位者。获得博士学位一般不超过3-5年，年龄一般在35周岁（含）以下。并在上述至少一个招聘领域具有一定研究基础。

2、在攻读博士期间取得较好的研究成果，具有独立开展研究工作的能力。入站前3年具有代表性科研成果，包括但不限于高水平论文、新产品、新工艺、重大咨询报告、发明专利、标准、科技奖励等形式。

3、热爱科研，具有较强的实验和数据分析能力，恪守学术道德、诚实可信、学风严谨、责任心强，有良好的沟通、表达能力和团队合作精神。

科研助理：

符合上海交通大学科研助理相关入职条件，一般应具有硕士学位。此外近5年发表过至少1篇学术论文或其他具有代表性的科研成果如新产品、新工艺、重大咨询报告、发明专利、标准、科技奖励等形式。有良好的英语阅读、表达和写作能力。热爱科研，具有较强的实验和数据分析能力，恪守学术道德、诚实可信、学风严谨、责任心强，有良好的沟通、表达能力和团队合作精神。

（三）岗位待遇

博士后：

根据上海交通大学博士后管理相关政策执行，可享受上海交通大学博士后的包括户口，住房，子女入学等福利待遇，工作能力强者待遇从优，底薪30万起。此外课题组将根据工作能力和表现，提供科研绩效、项目奖励、论文奖励、年终奖励等。特别优秀者底薪不设上限，一人一策，一事一议，待遇面谈。

科研助理：

具体薪酬面谈。根据上海交通大学相关规定，提供具有竞争力的薪酬与房补，并享受一系列如保险、节日补助、餐补等福利。

（四）个人培养

课题组将为博士后及其他相关科研人员提供个人职业能力提升计划，主要为：（1）课题组积极支持并指导博士后人员申报各类博士后人才支持计划如“博士后创新人才支持计划”和上海市“超级博士后”等人才项目。同时支持申报全国博新计划；（2）课题组积极支持并推荐申请国家自然科学基金项目、中国博士后基金项目和上海市博士后基金项目等；（3）课题组积极支持科研人员参加国内外高水平学术会议；（4）提供个人学术能力培训和职业发展规划指导；（5）课题组积极推荐优秀科研人员到国内外顶级名校和实验室交流、访问与深造；

（五）联系方式

招聘长期有效，有意者请将个人介绍（包括个人简介、主要研究内容、代表性论文专利、科研奖励等）以及相关佐证材料发至liangzheng06@sjtu.edu.cn，邮件标题请注明：应聘+本人姓名。我们将对每一位申请人尽快回复并安排面试。

上海交通大学变革性分子前沿科学中心简介：

上海交通大学变革性分子前沿科学中心于2019年12月获得教育部立项建设支持，以分子科学相关的国际科学前沿问题为牵引，对接国家重大战略需求，建设国际一流研究机构，汇聚高水平人才团队，将有利于推动分子科学重大原始创新，为突破颠覆性技术瓶颈提供新动能，对引领分子科学和相关学科的发展具有重大意义。中心依托上海交通大学建设，学校在分子科学研究领域已经具有坚实的工作基础。中心依托的化学，化工学科以及与分子科学相关的生物、材料与药学学科均入选教育部“双一流”建设学科，学科优势明显。近年来，通过承担国家重大科研项目和平台建设任务，众多国内外优秀的分子科学人才汇聚上海交大，优化并夯实了研究团队，在推动分子科学研究方面做出了重要的贡献，国际、国内学术影响力日益提升，具有良好的建设基础。

PI介绍：

梁正，上海交通大学变革性分子前沿科学中心课题组长，长聘教轨副教授，博士生导师。2018年美国斯坦福大学材料科学与工程系博士毕业，导师为美国国家科学院院士、斯坦福大学能源研究中心主任崔屹教授与诺贝尔物理学奖得主、美国前能源部长朱棣文教授。博士毕业后先后于斯坦福大学与劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究，师从美国两院院士Gabor A. Somorjai教授。2021年入职上海交通大学变革性分子前沿科学中心，研究方向聚焦于新型能源材料开发及在电化学能源转化与存储领域的应用。迄今在国际知名期刊发表论文48 篇，3项发明专利获授权，参与编写学术专著2本，总引用10000余次。入选国家海外高层次人才（青年项目）、上海海外高层次人才与第六届中国科协青年人才托举工程。

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