环醚基高分子用于抑制负极的“火爆脾气”

锂离子电池在小型电子产品，电动工具和大型电源套件（插电式）混合电力运输和电网系统中可谓无处不在。锂／钠电池严重的安全问题阻碍了其大规模使用。传统的电解质具有高度的易燃性和挥发性，可能引起灾难性的火灾或爆炸。将阻燃剂溶剂引入电解质中通常会因为这些溶剂不适当地钝化碳质阳极导致电池性能的降低。

【成果简介】

近日，日本东京大学Atsuo Yamada（通讯作者）团队报道了一种浓缩盐电解质设计，通过在阳极上自发形成坚固的无机钝化膜来解决上述的困境。实验证明使用盐和普通阻燃溶剂（磷酸三甲酯）的浓缩电解质，不含任何添加剂或软粘合剂，使硬碳和石墨阳极的稳定充放电循环超过1，000次循环（超过一年 ），这种性能与常规可燃碳酸盐电解质的性能相当或更为优越。浓缩电解液的非常规钝化特性与其灭火性能相结合，有助于开发安全，持久的电池，从而开发出更高能量密度的电池。相关成果以题为“Fire－extinguishing organic electrolytes for safe batteries”发表在了Nature Energy上。

近日，美国化学会期刊（JACS）在线发表了由美国宾州州立大学（Pennsylvania State University）Donghai Wang教授（通讯作者）、Tom Mallouk教授及Yue Gao（第一作者）等在调控锂金属SEI化学结构和抑制锂枝晶生长的相关领域取得了重要突破的一项工作。他们的研究成果以题为“Interfacial Chemistry Regulation via a Skin－Grafting Strategy Enables High－Performance Lithium－Metal Batteries”的论文发表。

在本文中，作者们报道了一种在锂金属表面上覆盖一层保护皮肤的策略以稳定锂金属／电解液界面以及调控SEI化学结构和成分。这层保护性皮肤由是一种具有电化学活性的高分子（由聚多环长链组成骨架，其上嫁接环醚分支，图1）组成。高分子中的环醚部分与锂金属具有强亲和性，可保证薄膜在锂金属表面稳定附着。同时该部分参与形成SEI膜，提升SEI膜的稳定性。长链骨架使保护皮肤变得坚韧，防止锂枝晶的生成及穿刺。实验结果表明，具有高分子皮肤保护的锂金属负极在充放电循环过程中未观察到枝晶生成。该修饰后的锂负极与磷酸铁锂等正极材料，碳酸乙烯酯等酯类电解质组合可制造高性能、高稳定性的4 V锂金属全电池。这种基于锂金属负极表面的保护策略为制备多种具有功能结构的保护皮肤以提升锂金属负极稳定性的策略提供了广阔的前景。此外，保护皮肤对SEI结构、成分的影响对于SEI理论研究亦有参考价值。

【小结】

该团队基于浓缩盐电解质概念开发了用于可再充电电池的灭火有机电解质。分别使用浓缩的NaFSA／TMP和LiFSA／TMP电解质作为钠离子和锂离子电池的模型系统，证明它们不仅是一种强力的灭火剂，而且还可以稳定地进行硬质的充放电循环，且降解可忽略不计，这与常规可燃碳酸盐电解质的性能相当或更好。该设计策略极其简单和灵活，可以扩展到不易燃或阻燃溶剂和碱性盐的各种组合，为安全和高性能可充电电池的开发提供了新途径。