哈工大安茂忠/白永平教授/陈国荣副研究员Chem Mater：固态锂金属电池含醚和碳酸酯基的聚合物电解质的设计策略

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固体聚合物电解质（SPE）到1990年代开发出第一款带有液体电解质的商用锂离子电池为止，在改善离子电导率方面取得了许多有意义的成就。由于对特定能量密度和电池安全性的要求不断增长，特别是考虑到近年来大型储能和电动汽车（EV）的快速发展，SPE由于适用于锂金属而备受关注。与具有电解质/电极界面差，空气稳定性差和成本高的无机固体电解质相比，SPEs具有柔韧性，可以使电解质和电极之间实现良好的接触。此外，SPEs由于其重量轻而可以实现高能量密度电池，而无论其良好的可加工性和低成本如何。因此，从商业化的角度来看，SPEs应迅速应用于产品。对于实际应用来说，提高聚合物电解质的室温电导率是一个巨大的挑战。在实际应用中往往需要某些特性：适用于高压阴极的宽电化学稳定窗口（> 4.5 V），高锂离子传递数可以减弱浓差极化，良好的机械强度可以抑制锂枝晶，以及极好的化学稳定性，可保持较长的循环寿命。近来，聚合物的结构设计引起了相当大的关注。因为聚合物的不同官能团起着不同的作用；例如，高介电常数基团有助于锂盐的解离，并且具有低Tg的柔性链有助于锂离子沿链运动。许多文章都讨论了固相萃取及其在锂电池中的应用。但是，他们只总结了不同类型的SPEs或仅关注在一种SPE上，并且没有详细讨论不同SPE的功能组和基于其特征的结构设计。

固态锂金属电池（SSLMB）由于其高能量密度和安全水平而被认为是有前途的下一代电池。固态电解质是SSLMB的重要组成部分，SSLMB的实际应用受到固态聚合物电解质（SPE）的严重影响。

基于以上现状，哈尔滨工业大学安茂忠教授、白永平教授，上海大学陈国荣副研究员等在国际知名期刊Chemistry of Materials上发表题为“Design Strategies for Polymer Electrolytes with Ether & Carbonate Groups for Solid-State Lithium Metal Batteries”的论文。赵彦彪为本文第一作者.

作者：赵彦彪，白杨，李卫东

通讯作者：安茂忠*，白永平*，陈国荣*

单位：哈尔滨工业大学，上海大学

本文就官能团系统地讨论有醚基的聚醚和有碳酸酯基的聚碳酸酯的特性及其发展。另外，还研究了共聚物中两种官能团的协同作用，如何通过官能团设计协调聚合物电解质锂离子电导率、锂离子迁移数及稳定窗口等关键技术指标之间的关系，并提出综合性能优异聚合物电解质的研究思路。

图1. 

图片概要

随后，作为影响使用SPEs开发SSLMBs的关键因素，讨论锂盐特点、发展趋势及界面修饰。最后，总结了SSLMB的当前研究状况，指出高性能SSLMB的聚合物电解质的未来设计思路。

在这项工作中，作者首先概述有醚基的聚醚类电解质和有碳酸酯基的聚碳酸酯两种广泛研究的聚合物电解质，讨论了其各自的特征和具有代表性的研究工作。在系统对比二者锂离子传导机理及材料特性的基础上，提出基于聚醚/碳酸酯的双官能团共聚物结构设计是十分有前途的研究方向，着眼于两种功能基团的协同作用及相关的研究工作进行了详细的讨论。此外，考虑到对于聚合物电解质在电池中性能发挥的影响，锂盐的开发，电极/电解质界面优化也从聚合物官能团结构设计的角度进行了分析。最后，对于采用双官能团聚合物电解质的固态电解质锂金属电池（SSLMBs）,主要是采用高比能量正极材料的电池体系的代表性研究工作进行了总结，表明碳酸酯基的引入提升了聚合物电解质的使用电压。此文章中新的研究思路将启发更多的研究人员通过多官能团聚合物电解质的结构设计来提升SPEs和SSLMBs的性能。

图2. 

The strategies to suppress the crystallinity of PEO

第一作者专访:

1. 该研究的设计思路和灵感来源

这篇综述主要是基于我们前期对于聚醚类及聚碳酸酯类聚合物电解质系统性的研究工作及相关领域大量文献的阅读。我们发现虽然在这两类聚合物电解质中，很多人进行了大量的研究工作，但没有很好的结合起来，仍未获得理想的结果。我们首先对已经发表的相关工作的聚合物主体进行了设计思路总结，之后对这两类物质的优缺点进行对比，发现特定结构聚醚/碳酸酯会产生非常好的协同作用，这可能是聚合物电解质一个有希望的研究方向。

希望通过这篇综述，大家能更关注聚合物电解质主体结构的官能团设计，通过多官能团的优势结合突破现有聚合物电解质技术瓶颈，并适当结合理论计算以提高工作效率，同时发展聚合物锂电池界面技术，从整体策略角度发展聚合物锂电池技术，这也是本篇综述的核心所在。

2.该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？本文与其他综述最大的不同就是提出了从官能团协同的角度进行多官能团聚合物电解质结构设计，综合权衡锂离子电导率、锂离子迁移数、电化学稳定性等关键指标，更重要的是结合理论计算进行多官能团组合，优化聚合物电解质结构。我相信这种研究思路对于之后聚合物电解质的研究有重要意义。

第一作者：赵彦彪 博士

文章链接:Design Strategies for Polymer Electrolytes with Ether & Carbonate Groups for Solid-State Lithium Metal Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b04521

导师简介:

安茂忠 教授

博士生导师；哈尔滨工业大学化工与化学学院应用化学系。致力于电镀合金、化学镀、离子液体电沉积、绿色电镀技术、化学电源新型电极材料等方面的研究。先后主持过国家级科技项目4项、省部级科技项目5项，主持横向科研项目10余项。在国内外学术期刊上发表学术论文240余篇，其中被SCI、EI收录90余篇；主编教材、专著各1部，参编专著4部；获得授权国家发明专利15项。多次应邀在国际、全国性学术会议上做报告。曾获得黑龙江省技术发明一等奖1项(排名第1)、自然一等奖1项(排名第2)，国防科技进步三等奖2项（分别排名第2、第3），其他省部级科技进步二等奖5项、三等奖3项。

白永平 教授

博士生导师。1996年哈尔滨工业大学取得高分子材料专业工学博士学位，1995年提前留校任教至今。研究方向为功能高分子材料的合成、改性与加工工艺、特种胶黏剂及密封材料。相继开发成功多种PET类功能膜材料、弹性体材料、分离膜材料等。如热封膜、纳滤膜、高亮膜、高阻隔膜、光学BOPET用树脂等；含F及F-Si类胶黏剂及低表面能涂层、低温高速烫金膜背胶、光学丙烯酸酯压敏胶等二十多个新品种。申请中国发明专利180多项，发表国内外研究论文80多篇，承担国家、省部、市、军品配套、企业各项研究项目多项。多次受邀参加国内外学术会议，进行学术报告，与他人一起获得多项国家、省部级奖励及功能薄膜开发研究论文奖。早在2000已经开始进行聚合物电解质研究，近几年对于酯基/醚基共聚物聚合物电解质进行了系统性的研究工作。

陈国荣

副研究员，硕士生导师，上海大学纳米科学与技术研究中心。博士毕业于哈尔滨工业大学，曾在TCL金能电池有限公司研发中心工作4年，具有锂离子电池材料与产品研发与产业化经验。在美国Nanotek Instruments Ins公司工作5年，从事硅基负极材料的结构设计、性能提升及与高能量密度锂离子电池相关工作。2015年加入上海大学纳米科学与技术研究中心，围绕高容量硅基负极材料体积膨胀抑制效应、表面涂层结构设计、负极表面SEI稳定性及碳硅/石墨复合负极材料技术开展科研工作。在EES，ACS nano，Nano energy、JMCA、ACS AMI、CEJ等高质量国际期刊发表高水平论文40余篇，拥有多项发明专利。

第一作者介绍

赵彦彪，博士

2016年3月进入哈尔滨工业大学攻读博士学位，主要研究方向为锂金属电池用聚合物固态电解质。目前已在Chemical of Materials, Chemical Engineering Journal，Journal of Power Sources, ACS Sustainable Chemistry & Engineering等杂志发表论文8篇，并应邀在国际会议进行学术报告。

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