注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
锂金属因具有高的理论能量密度和最低的还原电势，而成为高性能二次电池理想的负极材料。但是锂金属反应活性高，易与电解液发生反应形成不稳定的固体电解质中间相（SEI）膜，从而导致锂的不均匀沉积，诱发枝晶生长，造成安全问题。同时，过渡金属氧化物正极材料中的过渡金属元素通常在高温易溶于电解液并诱发副反应，导致电池容量衰减。低共熔溶剂（DES）基电解质室温下呈液态，具有高的离子电导率和不易燃的特点，可在一定程度上解决传统锂金属电池易燃易爆的安全性问题；但是DES电解质与金属锂不兼容，可溶解正极材料中的过渡金属离子，且有电解液泄露的安全隐患。因此仍需对DES基电解质进行改进，提高其界面兼容性等问题。
针对上述问题，悉尼科技大学的汪国秀教授、周栋博士团队联同清华大学深圳研究生院李宝华教授团队采用原位聚合策略设计了一种基于DES的具有优异阻燃、自愈特性的聚合物电解质。该电解质在25 ℃下的离子电导率可达1.79 × 10-3 S cm-1，并具有优异的电化学稳定性（4.5 V vs. Li/Li+），可在电解质-电极界面诱导形成致密且薄的SEI膜和正极电解质界面（CEI）膜，抑制锂枝晶的生长和高温条件下正极中Mn2+的溶解，拓宽了电池的工作温度范围，显著提升了锂金属电池的安全性和循环稳定性。组装的Li|| LiMn2O4（LMO）电池循环性能超过了之前文献报道的DES基锂离子电池体系，这有利于其在低成本储能中的实际应用。
如下图所示，传统DES电解质会被金属锂还原生成不稳定且厚的SEI膜，并诱发锂枝晶的生长；此外，LMO正极在电化学过程中形成的Mn2+会溶解到DES电解质中，造成LMO的结构破坏。并且在充电过程中，DES中N-甲基乙酰胺（NMA）会在正极分解形成高电阻的CEI膜。这些因素导致采用DES电解质的Li||LMO电池表现出较差的电化学性能（图a）。而采用基于低共熔溶剂自愈合聚合物（DSP）电解质的Li||LMO电池，氟碳酸亚乙酯（FEC）添加剂会促进薄且坚固的SEI和CEI膜的形成，抑制锂枝晶的生长。而分级多孔结构的UPyMA-PETEA共聚物基体具有自愈特性，即使在充放电过程中电极材料发生体积变化时仍与DSP电解质保持良好的接触，并促进锂离子通量的均匀分布；在正极侧，共聚物基体还可以有效抑制Mn2+的溶解，从而保证DSP基Li||LMO电池优异的电化学性能（图b）。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie，文章第一作者为悉尼科技大学Pauline Jaumaux和清华大学博士生刘琦。
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Deep Eutectic Solvent-Based Self-Healing Polymer Electrolyte for Safe and Long-Life Lithium Metal Batteries
Pauline Jaumaux, Qi Liu, Dong Zhou*, Xiaofu Xu, Tianyi Wang, Yizhou Wang, Feiyu Kang, Baohua Li*, Guoxiu Wang*.
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202001793
汪国秀教授简介
汪国秀教授2001年获得澳大利亚Wollongong大学博士学位，并留校依次担任高级讲师，副教授。2010年受聘于悉尼科技大学担任教授, 并组建清洁能源技术中心，担任中心主任，特聘杰出教授。
汪教授致力于能源材料领域的研发，并在包括材料工程、材料化学、电化学能量储存转换、纳米科技, 先进材料的合成与制造等多个跨学科领域取得了优异的成果。汪教授主持完成二十多项澳大利亚基金委和工业界的项目。迄今为止，汪教授已发表SCI论文超过460篇, 引用超过39000次，h因子108。2018年全球材料和化学双学科高被引科学家(Web of Science/Clarivate Analytics). 英国皇家化学会会士 (FRSC), 国际电化学学会会士(ISE fellow)。
https://www.x-mol.com/university/faculty/50227
https://www.uts.edu.au/research-and-teaching/our-research/centre-clean-energy-technology
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，我们主要的研究兴趣是致力于能源材料领域的研发，而传统液态锂金属电池存在电解液泄露、着火以及爆炸等安全隐患。高能量密度锂金属负极由于高活性易于液态电解液反应形成锂枝晶，穿透隔膜导致电池短路；此外在正极侧过渡金属离子在高温下容易溶于电解液并诱发副反应，导致电池容量衰减。因此希望通过设计具备高阻燃性质、高离子电导率的安全性聚合物电解质解决锂金属电池存在的以上安全隐患。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本项研究的最大挑战是如何设计可同时解决DES电解质对正负极的电化学兼容性和稳定性，尤其关于高温下过渡金属锂离子在循环过程中析出行为。因此我们开发了具备自愈合特性的准固态聚合物电解质，可有效解决同时解决以上存在的问题。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：这些关键发现为促进高安全和长寿命的锂金属固态电池的实际应用提供了重要的指导。该电解质设计策略还可以应用到其他高能量密度可充电碱金属电池体系，例如钠电池，镁电池和锌电池等。
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