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IF＞27顶刊、中山大学孟跃中教授重磅文章：嵌段共聚物电解质在锂金属电池的应用

时间：2023-10-31 来源：浏览：

IF＞27顶刊、中山大学孟跃中教授重磅文章：嵌段共聚物电解质在锂金属电池的应用

Energist 能源学人

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收录于合集

第一作者：王天羿

通讯作者：黄盛，孙陆逸，孟跃中

通讯单位：中山大学，康涅狄格大学

【摘要】

图1 相分离嵌段共聚物电解质的Janus特性

长期以来，聚合物电解质的高机械强度与高离子电导率是难以兼得的矛盾。机械支撑相和离子导电相赋予了嵌段共聚物电解质（BCPE）“Janus”特性。通过控制相分离结构，BCPE能有望解耦机械强度与离子导电率之间的权衡关系。BCPE的导电性主要由嵌段共聚物电解质的分子结构以及添加剂类型和含量决定，而相分离结构的调控有助于增强它们的机械支撑和离子传导。该综述提供了BCPE的概述，并着重关注了“分子结构-相结构-性能”之间的关系。首先，鉴于聚合物电解质的实际需求，即高离子电导率、高强度、低厚度和高极限电流密度，文章总结了BCPE的研究现状和优化策略。其次，详细讨论了基于相分离机制来控制BCPE相行为的方法。第三，对目前文献报道的双离子导体和单离子导体BCPE，进行了优劣势分析。此外，文章提出了高性能准固态BCPE的设计原理。这些方面有助于促进兼具高离子电导率和高机械强度的BCPE的发展，进一步推动安全且高能量密度的固态锂金属电池的进程。

相关成果以“Block Copolymer Electrolytes for Lithium Metal Batteries: Strategies to Boost both Ionic Conductivity and Mechanical Strength” 在高分子顶级期刊 Progress in Polymer Science （IF=27.1）。

文章链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670023000977?via%3Dihub

【研究现状】

图2 文献报道的BCPEs电导率、机械性能、厚度以及Li|Li循环性能总结

文章根据研究现状对BCPEs在锂金属电池中的实际指标和发展趋势进行了如下分析：

（1）实际的固体聚合物电解质膜需要满足以下指标：室温下离子电导率大于5 mS/cm，拉伸强度大于15 MPa，弹性模量大于1 GPa。如图2a-b所示，大多数BCPEs仍然面临高离子电导率与高机械强度之间的权衡问题。

（2）自支撑电解质膜的厚度应小于20 μm。然而，减小膜的厚度是一把双刃剑，因为厚度对电池安全性和离子电导产生相反的影响。未来的BCPEs应以超薄且机械强度高的电解质膜为目标。

（3）一步法原位制备固态聚合物锂金属电池是具有成本效益和环保特性的。聚合物电解质的一个重要进展是将合成和后处理集成到原位聚合的过程中。最近，已有研究者报道了一种通用的一步法原位相分离技术，用于制备耐用的离子凝胶。此外，各种BCPEs的通用一步法原位聚合策略也已在锂金属电池中得到应用。这两种技术将在第5.1节中详细描述。在聚合物科学领域，不断更新的概念和方法正在推动实际BCPEs的设计和制备。

（4）实现大于3 mA/cm²的极限电流密度，对应于电池面容量为3 mAh/cm²和1C充放电循环。应当注意的是，聚合物电解质的优势不在于离子电导率，而在于它们可调的机械性能、化学稳定性和可加工性。因此，对于准固态聚合物电解质，聚合物基质作为良好的机械支撑的出色物理和化学稳定性应当得到更深入的探索。实现高离子电导率和高电化学稳定性（形成稳定的CEI和SEI的目标应更多地依赖于具有高迁移性和高化学活性的液体成分。先进的电解液工程策略近年来不断涌现，旨在实现锂负极和高压阳极的长期循环，如氟化溶剂和盐类，超浓缩电解液（SCE），局部超浓缩电解液（LSCE）和弱溶剂电解液（WSE）。BCPEs的前景将充分结合电解液工程的先进发展，实现具有高强度、高离子电导性和卓越电化学稳定性的薄电解质膜。

【设计原理】

图3 嵌段共聚物电解质可利用的增韧策略

图4 高强度高离子电导率的嵌段共聚物电解质的设计原理

文章基于聚合物“组分-结构-性能”的关系，提出了高性能嵌段共聚物电解质(QSBCPE)的设计原理。基本方法围绕着通过设计疏溶剂的刚性嵌段和亲溶剂的导电嵌段来诱导相分离，从而形成双连续的相结构。在这一构想中，BCPE内富含聚合物的硬相提供了高机械强度，富溶剂相有助于快速离子传导，富溶剂相中的溶剂/盐负责在锂负极上形成均匀稳定的SEI（图4b，c）。这一策略充分利用了相之间的协同作用，以优化BCPE的性能。而传统的GPEs，表现为由大量盐和溶剂溶胀的聚合物网络。其聚合物网络是均匀的，没有相分离；增加交联密度必然会降低链的运动性，这使得难以将离子导电性与机械强度分离。

【结论展望】

机械坚硬相和离子导电相赋予BCPEs“Janus”特性，通过控制分相结构，有望解开机械强度和离子导电性之间的权衡。BCPEs的导电性主要由添加剂和BCPs的分子结构决定，而分相结构的调控则增强了它们的机械支撑和离子传输。相分离QSBCPEs是实际发展锂金属电池的有潜力的候选材料，而全固态BCPEs则不具备室温应用的可能性。QSBCPEs的“Janus”特性是由分相而来的，具体表现如下：（1）溶剂和盐选择性地与软段协同形成连续高导电的富溶剂相；（2）富聚合物相作为坚硬相排斥溶剂并提供机械支撑。这种QSBCPEs应该通过形成稳定的SEI和CEI来拥有高极限电流密度，从而实现实际锂金属电池的长循环。实现这些目标需要巧妙地结合高分子化学（聚合方法、分子结构设计）和高分子物理（分相结构控制）理论知识。此外，它需要聚合物科学和电化学学科（锂金属界面化学）之间的精心协作，以推动安全且高比能固态聚合物锂金属电池的实际应用。

此前, 孟跃中教授课题组受邀在 Progress in Polymer Science 上已在CO ₂ 可降解塑料和锂硫电池方向发表两篇综述性文章：

Polymers for High Performance Li-S Batteries: Material Selection and Structure Design

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670018301266

Synthesis and properties of CO ₂ -based plastics: Environmentally friendly, energy-saving and biomedical polymeric material

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0079670017300771

忻获麟教授“高熵掺杂”再发文，揭示其对高压钠电正极调控新机制

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