北化大于乐教授课题组与西安交大丁书江教授团队《JMCA》：功能化聚合物在锂金属负极电解质优化和界面改性中的应用
金属锂拥有高的比容量和最低的还原电势，锂金属负极被认为是最有前途的负极材料之一。然而锂负极表面固态电解质界面（SEI）层的不稳定性、不可控的枝晶生长和无限的体积变化，阻碍了锂金属负极的实际应用。功能化聚合物在电解质工程和界面改性中发挥了重大作用，有望解决电极和电解质之间的界面问题，从而引发了人们的广泛关注。该综述旨在提供一个关于功能化聚合物在抑制枝晶生长，建立稳定的界面以及适应锂负极体积变化方面的概念诠释，关于界面化学和Li+的传输机制方面文章中做出了详细描述。该文综述了近年来功能化聚合物用于液态到固态电解质的优化，以及构建有机或杂化锂负极界面的研究进展（图1）。界面化学和锂离子传输机制中，以聚合物为基础的电解质和人工SEI应用的机遇与挑战也被重点关注。
北京化工大学有机无机复合国家重点实验室于乐教授课题组与西安交通大学丁书江教授团队合作综述了功能化聚合物在锂金属负极电解质优化和界面改性中的应用（J. Mater. Chem. A 2021, DOI: 10.1039/D1TA02297K.）。
文章从两个方面总结了功能化聚合物在锂负极改性中的最新研究进展：
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聚合物在电解质改性中的应用
在液态电解质（LE）中加入微量添加剂是一种有效的提高体系热稳定性的策略，功能性聚合物作为LE中的一类重要添加剂，可作为阻燃剂防止热失控。根据原理，聚合物基添加剂可分为热敏材料和电化学聚合添加剂。聚合物单体添加到LEs中，电池过度充电时会氧化产生自由基离子从而进行聚合。与LE相比，以聚合物为基体的凝胶态聚合物电解质(GPE)可以抑制电解质泄漏，提高热稳定性，同时减少Li表面与活性电解质组分的接触从而降低界面副反应。然而，电极材料与电解质之间的界面接触仍需要进一步的改善。为了生产使用安全的锂金属电池，固态聚合物电解质(SPEs)被认为是最理想的选择之一。与LE和GPE相比，SPE具有更优异的热力学性能、电化学稳定性和机械强度，然而在SPEs发展的过程中，SPE的界面相容性、离子迁移率和力学性能仍有待提高，可以通过聚合物结构设计及官能团修饰（例如—SO3）来固定阴离子，从而提高锂离子迁移数。
目前的SPEs在离子导电性、机械强度、电性能和热稳定性等方面仍不能与无机固态电解质(ISE)相媲美。但ISE通常具有高的界面电阻。在电解质和电极之间建立柔性界面或使用有机—无机复合电解质可以有效地解决界面接触问题，因此使用具有高柔性的功能性聚合物是一种很有前途修饰策略。
2
聚合物在界面设计中的应用
锂负极表面自发形成的界面层是Li+通过空间电荷场转移之后成核前的最后一个缓冲层。基于SEI诱导成核模型，SEI的不可控的特定成分和固有的脆性可能会加剧Li+通量的不均匀性。自发形成的SEI非常脆弱，容易被锂枝晶刺穿，新的锂暴露出来在其表面继续形成SEI，增加了界面阻抗，降低了界面离子传输速率。因此，锂负极界面层的性能有待提高，当将聚合物应用于物理钝化层时，可利用原位形成的基于聚合物的界面相或聚合物层的非原位并入。除此之外，具有极性基团的聚合物有利于形成稳定的SEI。一些具有高Li亲和力的极性基团可以扩大HOMO−LUMO间隙从而提高界面层的抗还原性和界面稳定性，极性基团还可能与有机溶剂具有强相互作用，从而减少溶剂与Li的反应性。
该工作以“Functional Polymers in Electrolyte Optimization and Interphase Design for Lithium Metal Anodes”为题目发表在《Journal of Materials Chemistry A》上，并被杂志选为Inside front cover。衷心感谢国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费等项目的资助。文章第一作者是北京化工大学化工学院张彩红同学。通讯作者是北京化工大学李念武副教授、于乐教授和西安交通大学丁书江教授。
原文链接：
Functional Polymers in Electrolyte Optimization and Interphase Design for Lithium Metal Anodes
J. Mater. Chem. A 2021, DOI: 10.1039/D1TA02297K.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta02297k/unauth#!divAbstract
课题组网址：
于乐教授团队：
https://www.x-mol.com/groups/Yu_Le
丁书江教授团队：
http://gr.xjtu.edu.cn/web/dingsj
相关进展
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