【学术】破解界面难题!南昌大学周耐根教授团队方姗教授联和德国卡尔斯鲁厄理工Stefano Passerini院士

第一作者：黄礼源

通讯作者：方姗*，Stefano Passerini*

单位：南昌大学，德国卡尔斯鲁厄理工学院、亥姆霍兹乌尔姆研究所

为了摆脱传统锂离子电池（LIBs）的能量密度限制，适应当前全球的储能需求，开发高性能和高安全性的新型二次电池至关重要。固态锂金属电池因锂金属高的理论比容量(3860 mAh/g)，以及固态电解质（SEs）的高安全性而备受关注。聚合物固态电解质（PSEs）相比无机固态电解质（ISEs）更易于大规模生产，因此被认为是非常有吸引力的下一代电解质材料。但是聚合物电解质的低室温离子电导率和低电压窗口，阻碍了其发展和应用。本文利用原位固化技术，制备了一种以氰基作为额外Li⁺离子迁移位点的聚合物固态电解质，显著提升离子电导率和电压窗口，并实现了长期稳定循环。

近日，来自南昌大学的方姗、周耐根教授与德国卡尔斯鲁厄理工学院、亥姆霍兹乌尔姆研究所的Stefano Passerini教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Conformal Polymer Electrolyte Enabled by Nitrile Coordination for Long-Cycle Solid-State Lithium Metal Batteries”的文章。该文章提出了一种全新的氰基增塑剂——甲基化乙腈（PN），PN作为乙腈（AN）的甲基化产物，PN有效避免了因活性α-H与锂金属反应引发的副反应问题，显著增强了电极与电解质之间的界面相容性。同时，该电解质在循环过程中于锂金属表面构建了一层兼具刚性结构与柔性特征的有机‑无机复合SEI层，从而为实现长循环固态锂金属电池提供了关键支撑。

将1M LiTFSI溶解在PEGMEA：PN体积比为7：3的溶液中。然后加入10 wt.% FEC以及0.5 wt.% AIBN，搅拌至均匀。65℃加热12h得到PNF电解质。制备得到的PNF电解质离子电导率在30℃下达到3.47 × 10^-4 S cm^-1，由于PN通过甲基取代消除了AN分子中易反应的α-H，其LUMO能级得以提高，从而表现出对锂金属良好的还原稳定性。另外PN中的-CN的吸电子效应促进了LiTFSI的解离，并为Li⁺的迁移提供新的跳跃位点，进一步提升了电解质的离子传输性能。

傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)以及分子动力学模拟(MD)结果表明，PN参与到Li⁺的溶剂化结构中，并削弱了Li⁺和聚合物链段以及TFSI-的配位，由于PN与Li⁺之间的相互作用，在PNF电解质中Li⁺的迁移主要通过以下两条路径实现：

组装Li|PNF|Li电池表现出长期循环稳定性，对循环后的锂金属表面进行X射线光电子能谱(XPS)测试，XPS结果发现，在锂金属表面形成了一层具有LiF、Li₃N、ROLi均匀组分的SEI层。该SEI层中的LiF和Li₃N引导了Li⁺离子的均匀沉积，并有效抑制了锂枝晶的生长，同时ROLi的存在赋予SEI层一定的柔性，适应循环过程中锂金属的体积波动，从而实现了长期循环。

为评估PNF电解质的应用价值，组装Li|PNF|LiFePO₄扣式电池和软包电池进行测试，在0.5 C和1 C倍率下都表现出优异的循环稳定性，软包电池的安全性测试也表现出优异的安全特性，另外还组装了Li|PNF|NCM622电池验证了匹配高压正极的可行性，在0.1 C（30℃）和0.5 C（45℃）都展现出稳定循环。

Conformal Polymer Electrolyte Enabled by Nitrile Coordination for Long-Cycle Solid-State Lithium Metal Batteries

方姗教授简介：南昌大学特聘教授，博士生导师，江西省“双千计划”青年领军人才，江西省高比能高安全固态电池关键材料与器件工程研究中心主任，德国卡尔斯鲁厄理工学院博士后，南京航空航天大学博士。先后在国际顶级研究机构美国劳伦斯伯克利国家实验室及德国卡尔斯鲁厄理工学院亥姆霍兹研究所从事科研交流及研究工作，致力于锂离子电池，锂金属电池，固态电池等能量转化与储存器件中功能结构材料的设计制备、体系构建和性能提升等方面的基础科学研究。目前在Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials、ACS Nano，Nano Energy，Energy Storage Materials等顶级期刊以第一作者及通讯作者身份发表SCI论40余篇，2篇高被引热点论文，参与英文专著编著2章节，主编教材1部。主持国家自然科学基金面上等3项，省部级科研项目7项。参与国家重点研发计划、德国-美国教育部联合项目等。目前是《Frontiers in Energy Research》客座编辑，《eScience》青年编委，是多个本专业国际期刊审稿人。

Stefano Passerini教授简介：其研究涵盖聚合物电解质、离子液体、高性能电极材料等关键领域，成果广泛应用于锂/钠电池、超级电容器及医疗传感器。Passerini教授在电化学领域享有崇高声誉，是离子液体与钠离子电池开发的国际先驱，极大地推动了该领域的发展。他发表学术论文1200余篇，H指数139，论文被引用逾73,000次，合著11本学术著作及书籍章节，拥有31项授权专利。此外，他担任电池电化学百科全书的共同编辑及Journal of Power Sources期刊主编。Passerini教授的卓越贡献屡获国际认可：他于2020年当选电化学学会（ECS）会士，2019年当选德国科学院（Leopoldina）院士，2015—2018年及2020—2021年入选ESI高被引科学家名单，并于2015年当选国际电化学学会（ISE）会士。2012年荣获Electrochemical Society, Inc. Battery Division研究奖。