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  在過去的幾十年中，隨著便攜式電子產(chǎn)品，電動汽車和電子儲存需求的不斷增長，可充式鋰離子電池的發(fā)展和商業(yè)化取得了革命性的進(jìn)步。在現(xiàn)代電池工業(yè)發(fā)展過程中，鋰金屬因其具有超高理論比容量(3860 mAh g^-1)和較低的電化學(xué)電位（-3.04V vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極），被認(rèn)為是二次電池的“圣杯”負(fù)極材料。然而鋰金屬電極具有反應(yīng)活性高、體積變化大、易產(chǎn)生鋰枝晶等問題，嚴(yán)重阻礙了其在電池系統(tǒng)中實際應(yīng)用。

  針對鋰金屬負(fù)極在應(yīng)用中出現(xiàn)的挑戰(zhàn)，北京化工大學(xué)曹鵬飛教授（原橡樹嶺國家實驗室研究員）團(tuán)隊和南開大學(xué)楊化濱研究員團(tuán)隊制備了一種具有高拉伸、低溫自愈性能的離子導(dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)(SHIPN)來提高鋰金屬在寬溫度范圍的界面穩(wěn)定性和抑制鋰枝晶生長。研究成果以“Self-Healable, Highly Stretchable, Ionic Conducting Polymer as Efficient Protecting Layer for Stable Lithium-Metal Electrode”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生孫斐源和李振喜為論文共同第一作者，楊化濱研究員和曹鵬飛教授為共同通訊作者。

  通過簡單的自由基聚合及化學(xué)交聯(lián)，合成了一種具有自愈合性能的聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（SHIPN），其具有的較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(-47.7 oC)及氫鍵作用有利于斷裂界面的互穿，使其在低溫下仍能表現(xiàn)出良好的自愈合能力。這種可自愈合的軟界面有利于在鋰金屬電極上形成均勻的涂層，并對鋰金屬表面進(jìn)行有效的保護(hù)。

  SHIPN的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-47.7 ℃，表明SHIPN 在室溫及低溫下都具有快速聚合物動力學(xué)，體現(xiàn)為快速的自愈合能力。同時剪切模量與溫度的關(guān)系也證明了在-30 ℃以上時，SHIPN的儲能模量與損耗模量平行逐漸下降，滿足鏈動力學(xué)的自修復(fù)和力學(xué)性能恢復(fù)的條件，并保持較高的模量，從而抑制鋰枝晶生長。

  在半電池及對稱電池的測試中，由于SHIPN的保護(hù)作用，電化學(xué)性能得到了顯著提升。Li/SHIPN@Cu電池在電流密度為0.5 mA cm^?2時，能穩(wěn)定循環(huán)250圈，平均庫倫效率為96.4%。當(dāng)電流密度增加到1 mA cm^-2時，Li/SHIPN@Cu電池仍能在200次循環(huán)中保持95.3%的平均庫倫效率。在SHIPN@Li/SHIPN@Li電池中，在2 mA cm^-2和 3 mA cm^-2的電流密度下，電池可穩(wěn)定循環(huán)500 h，極化電壓始終小于100 mV。

  在全電池的測試中，SHIPN表現(xiàn)出了優(yōu)異的保護(hù)作用，在25℃和5℃下，SHIPN@Li/LFP全電池在1 C的電流密度下能分別穩(wěn)定循環(huán)250和500圈。由于SHIPN的寬溫度自愈合能力，SHIPN@Li/LFP電池在25℃和5℃下，都展現(xiàn)了優(yōu)異的倍率性能。同時SHIPN@Li/LFP電池的電荷轉(zhuǎn)移阻抗更小、更穩(wěn)定，也表明在鋰金屬負(fù)極上形成了更穩(wěn)定的SEI層。

  憑借合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、低成本的合成和由此帶來的優(yōu)異電化學(xué)性能，自修復(fù)聚合物網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必將為“智能”、高性能聚合物材料在提高電化學(xué)性能的高能量密度電池中的應(yīng)用提供新的思路。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c04166 

文章通訊作者介紹：

楊化濱研究員：南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師。于1993年和1998年在南開大學(xué)獲得理學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位。2002-2004年在日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（關(guān)西中心）任職為日本學(xué)術(shù)振興會（JSPS）外國人特別研究員。目前主要從事高效儲能材料以及高分子聚合物材料的基礎(chǔ)應(yīng)用研究。作為項目負(fù)責(zé)人先后承擔(dān)了863計劃子課題、國家自然科學(xué)基金、教育部科技支撐計劃、教育部科學(xué)技術(shù)重點、天津市科技支撐計劃、天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿課題和多項橫向課題。近年來，在Nano Energy、Materials Today、ACS Appl. Energy Mater.、Adv. Mater. Interfaces等期刊發(fā)表諸多論文。

曹鵬飛教授：北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家級高層次青年引進(jìn)人才，現(xiàn)任高分子旗艦雜志Macromolecules 編委和 Scientific Reports 科學(xué)編輯。2008年、2010 年于天津大學(xué)分別獲得化學(xué)學(xué)士和高分子碩士學(xué)位，2015年于美國凱斯西儲大學(xué)取得高分子科學(xué)與工程博士學(xué)位，2016年2月開始在美國橡樹嶺國家實驗室做博后研究助理，2019年1月至2022年3月為美國橡樹嶺國家實驗室正式研究員(Staff Scientist, 獨立PI）。主要研究方向：高性能高分子材料（功能性彈性高分子為主）的設(shè)計與合成、性能分析及其在能源和建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用。至今發(fā)表SCI學(xué)術(shù)文章70余篇，以通訊作者或第一作者在Macromolecules、Matter、 Angew. Chem. 、 Adv. Energy Mater.、 ACS Energy Lett. 、 Adv. Funct. Mater.、Mater. Today等國際主流期刊發(fā)表論文40余篇，撰寫著作章節(jié)3部，獲得授權(quán)美國國家發(fā)明專利6項。近三年以來主持能源部研究項目4項，共同主持10余項，其主持的自修復(fù)彈性密閉膠項目憑借其產(chǎn)業(yè)價值獲得2021年度科技界奧斯卡之稱的R&D 100 Award。此外，曹鵬飛教授還獲得2021年美國化學(xué)會高分子杰出青年研究獎（PMSE Young-Investigator Award）。