崔光磊研究员：承受5.4V高压，2C循环2000圈，容量保持率87.1%，可调控阴离子溶剂化的聚合物电解质助力长寿命双离子电池

双离子电池因其经济性，工作电压高和输出功率大等优点而引起广泛关注。然而，一个长期存在却被忽视的问题是阴离子不完全去溶剂化，这不仅会影响电解液的氧化稳定性，还会造成溶剂共嵌入石墨正极。在充电过程中，由于阴离子和溶剂之间存在氢键相互作用，溶剂会跟随阴离子共嵌于石墨层间。这种共嵌入行为易导致石墨结构剥离和溶剂的氧化分解，严重影响电池的循环稳定性，阻碍了双离子电池的商业化进程（图1a）。原理上，通过调控阴离子溶剂化结构，以弱化阴离子与溶剂的相互作用和促进阴离子去溶剂化是最根本的解决方案。然而，基于这种原理来抑制阴离子-溶剂共嵌入行为的工作未见报道。

【工作介绍】

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊课题组开发了一种富含季铵盐阳离子基团的具有“阴离子选择透过性”功能的聚合物电解质。通过光谱表征和理论计算证明了季铵盐阳离子基团可以与阴离子形成强静电作用，参与了阴离子的溶剂化结构，进而减弱阴离子和碳酸酯溶剂的相互作用，并在阴离子嵌入石墨过程中“锚定”溶剂分子，促进阴离子去溶剂化（图1b）。本研究工作为调控阴离子溶剂化和抑制石墨剥离提供了新的解决方案，有助于推动双离子电池的商业化进程。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。姜虹竹，韩晓琪，杜晓璠为本文共同第一作者，崔光磊研究员和张焕瑞副研究员为通讯作者。

【内容表述】

为了减弱阴离子和溶剂的相互作用，本文选择了一种具有季铵盐阳离子基团的离子液体型单体（MTMA-PF₆），利用其与PF₆^-的静电作用强于PF₆^-–EMC的氢键作用进而破坏阴离子与溶剂的配位环境。通过谱学分析和理论计算表明，聚合物基质的引入的确可以减弱PF₆^-EMC之间的相互作用。进一步通过自主设计的渗透实验和循环后石墨正极的XPS分析，进一步证实开发的聚合物电解质可以实现阴离子的选择性嵌入，以及保护石墨正极结构的完整性（图3a-d）。除了可以抑制溶剂共嵌的作用，这种聚合物基质设计也使聚合物电解质具有优异的耐高电压性能(图3d-f)。

图1 设计的聚合物电解质与液态电解液在溶剂共嵌及其破坏石墨结构的机理示意图

图2 阴离子溶剂化结构前后变化。

图3 抑制溶剂共嵌和电解液氧化分解

图4 开发的聚合物电解质与液态电解液的电化学性能对比

基于此，在截止电压5.4V和2C的条件下，电池循环2000圈，容量保持率为87.1%，平均库伦效率达到99%，并且电池性能重复性良好。本研究表明，通过引入聚合物基质可以减弱阴离子与碳酸酯之间的相关作用，进而可以有效减少溶剂共嵌行为并确保石墨正极在循环过程中的结构完整性。该策略有效地抑制了溶剂共嵌和电解液的氧化分解，维持了循环过程中石墨结构完整性，进而大幅度提升了电池的循环稳定性和库伦效率(图4)。

Hongzhu Jiang, Xiaoqi Han, Xiaofan Du, Zheng Chen, Chenglong Lu, Xintong Li, Huanrui Zhang,* Jingwen Zhao, Pengxian Han, Guanglei Cui*, Advanced Materials, 2021, https://doi.org/10.1002/adma.202108665

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108665

作者简介：

崔光磊 研究员，博士生导师，研究方向为高比能固态锂电池、高功率锂电池/锂离子电容器、下一代低成本储能器件（锌离子电池、镁离子电池等）等以及钙钛矿太阳能电池核心关键材料、器件、系统及应用。先后在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Sci.等发表文章260多篇，他引10000多次，申请国家专利190余项，授权80余项，申请PCT专利6项，出版《动力锂电池中的聚合物材料》一部。先后获得国家自然科学杰出青年、山东省自然科学一等奖（第一完成人）、青岛市自然科学一等奖（第一完成人）、中科院百人计划终期评估优秀、山东省泰山学者特聘专家、山东省杰出青年、青岛市创业创新领军人才、第八届青岛市青年科技奖。并担任中科院青岛能源所学位委员会主任、学术委员会副主任，青岛储能产业技术研究院执行院长、能源应用技术研究室主任，国际聚合物电解质委员会理事、国际储能创新联盟理事、中国化学会电化学委员会委员、中国化学会能源化学专业委员会委员、中国化学会有机固体专业委员会委员等。