上？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院劉巍助理教授課題組在高比能、高安全的鋰金屬電池構(gòu)建方面取得重要進展。北京時間2019年3月1日，相關(guān)成果以“High-rate and large-capacity lithium metal anode enabled by volume conformal and self-healable composite polymer electrolyte”為題，在Wiley旗下國際知名期刊Advanced Science上在線發(fā)表。
鋰離子電池作為能源存儲器件已經(jīng)在便攜式電子產(chǎn)品上普及，正被逐步應(yīng)用于交通運輸以及智能電網(wǎng)儲能等方面。然而傳統(tǒng)鋰電池的續(xù)航能力（能量密度）已不能滿足當(dāng)前的實際需求，同時人們也對電池的安全性和使用壽命提出了更高的要求。金屬鋰具有超高的理論比容量（3860 mAh g-1）和最低的電化學(xué)勢（-3.040V），是鋰電池材料中的“圣杯”，以鋰金屬作電池負極將會很大程度上提高電池的能量密度。然而，鋰金屬表面易生長樹枝狀的枝晶，能夠刺穿電池隔膜導(dǎo)致電池造短路甚至引發(fā)爆炸，抑制鋰枝晶生長是利用金屬鋰實現(xiàn)高能量密度鋰金屬電池商業(yè)應(yīng)用的技術(shù)難題。
劉巍助理教授課題組提出利用具有自修復(fù)功能的復(fù)合半固態(tài)電解質(zhì)來穩(wěn)定鋰金屬負極的策略。該復(fù)合半固態(tài)電解質(zhì)由自修復(fù)聚合物、導(dǎo)鋰陶瓷粉體和電解液組成。自修復(fù)聚合物具有受到損傷能夠自修復(fù)的功能：若有枝晶生長刺穿電解質(zhì)產(chǎn)生裂紋，裂紋會快速自愈合，從而可以很大程度上延長電池的循環(huán)使用壽命；自修復(fù)聚合物還具有較強的粘彈性，可緊緊粘附在鋰金屬表面，促進表面鋰離子通量均勻化并抑制鋰枝晶的生長。導(dǎo)鋰陶瓷粉體的添加主要用于提高復(fù)合電解質(zhì)材料的機械性能，電解液的添加可以提高復(fù)合電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率并降低電解質(zhì)和電極的界面阻抗。實驗結(jié)果表明，該復(fù)合半固態(tài)電解質(zhì)可以有效抑制鋰枝晶的生長，大幅度提高鋰金屬電池的倍率性能和循環(huán)壽命。該工作為下一代鋰金屬電池的發(fā)展提供了新的研究策略，將推動其快速發(fā)展以及大規(guī)模應(yīng)用。
自修復(fù)電解質(zhì)與鋰金屬負極的作用機制示意圖
論文第一作者是劉巍助理教授課題組博士后夏水鑫，劉巍助理教授為通訊作者，上科大為第一完成單位。該研究項目得到了上科大啟動經(jīng)費、國家自然科學(xué)基金青年基金和上海市揚帆計劃等人才支持計劃的資助。同時感謝上科大物質(zhì)學(xué)院分析測試中心和電鏡中心老師們的大力支持。研究過程中得到了美國斯坦福大學(xué)崔屹教授、鮑哲南教授以及JeffreyLopez博士的熱心幫助；研究中用到的自修復(fù)聚合物來自美國斯坦福大學(xué)的鮑哲南教授課題組的饋贈支持。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201802353
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