隨著電動汽車和移動電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，對提供動力動力的鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求。根據(jù)刺進(jìn)式原理的鋰離子電池的能量密度已接近其上限能量密度，提升空間很小。相比較而言，以鋰為負(fù)極的鋰金屬電池在提升能量密度方面有著無與倫比的優(yōu)勢。但是，根據(jù)傳統(tǒng)液態(tài)電解液的鋰金屬電池存在SEI重復(fù)決裂和生成、鋰負(fù)極體積脹大、鋰枝晶生長、死晶等導(dǎo)致的庫侖功率低、電池阻抗增加和安全性問題等諸多挑戰(zhàn)，所有這些約束了高性能鋰金屬電池的快速發(fā)展。

近日，依托中國科學(xué)院青島生物動力與過程研討所建設(shè)的青島儲能工業(yè)技能研討院（以下簡稱“青島儲能院”）為處理鋰金屬電池存在的上述關(guān)鍵瓶頸問題，以聚合物電解質(zhì)作為核心突破點(diǎn)，從三個方面系統(tǒng)探究處理方案：（一）大陰離子鋰鹽對鋰負(fù)極的維護(hù)；（二）構(gòu)建人工有機(jī)/無機(jī)復(fù)合界面膜（SEI）；（三）統(tǒng)籌耐高電壓和鋰負(fù)極維護(hù)的多功能聚合物電解質(zhì)的開發(fā)，系列創(chuàng)新性研討工作關(guān)于促進(jìn)高性能鋰金屬電池的發(fā)展起到了嚴(yán)重的推進(jìn)和引領(lǐng)效果。

為從鋰鹽視點(diǎn)處理鋰枝晶問題，青島儲能院的研討人員規(guī)劃并合成了一種新式具有大陰離子結(jié)構(gòu)的全氟叔丁氧基三氟硼酸鋰（LiTFPFB），該新式鋰鹽保留了LiBF4陰離子的主體結(jié)構(gòu)，一方面能夠進(jìn)步其對鋁集流體的安穩(wěn)性；另一方面大陰離子的存在能夠原位形成鋰負(fù)極維護(hù)膜從而提升鋰金屬電池的電化學(xué)性能。研討發(fā)現(xiàn)：該鋰鹽的離子電導(dǎo)率明顯高于LiBF4，且對鋁集流體有較好的安穩(wěn)性，能夠在鋰金屬負(fù)極形成一層維護(hù)膜來有用按捺鋰金屬與電解液的進(jìn)一步反應(yīng)，從而有用維護(hù)鋰負(fù)極。相關(guān)成果作為Backcover文章發(fā)表在世界雜志Chem.Sci.上（Chem.Sci.,2018,9,3451-3458）。

鑒于金屬鋰作為負(fù)極使用時存在著SEI不安穩(wěn)、副反應(yīng)嚴(yán)重從而導(dǎo)致庫倫功率低、循環(huán)壽命短等不利因素，研討人員從聚合物界面修飾視點(diǎn)動身，規(guī)劃出人工SEI膜來有用維護(hù)金屬鋰負(fù)極（圖1a），該SEI膜由聚氰基丙烯酸酯和分散其間的氧化鋰衍生物組成（Chem.Mater.,2017,29,4682-4689）。研討發(fā)現(xiàn)：該有機(jī)/無機(jī)層的協(xié)同效果使得界面處在快速傳導(dǎo)鋰離子的同時，又能保證SEI不易脫落，同時也明顯按捺了發(fā)生在界面區(qū)域的副反應(yīng)（Chem.Mater.,2016,28,3578-3606），從而賦予金屬鋰電池優(yōu)異的界面安穩(wěn)性和長循環(huán)安穩(wěn)性（Chem.Mater.,2018,30,4039-4047）。

為處理高電壓（4.45V）鈷酸鋰/鋰金屬電池存在的正極固態(tài)電解質(zhì)界面（CEI）不安穩(wěn)，在高電位下界面處容易發(fā)生電化學(xué)氧化副反應(yīng)，以及大電流大容量時鋰負(fù)極存在的鋰枝晶等問題，青島儲能院在“剛?cè)岵?jì)”聚合物電解質(zhì)規(guī)劃理念的指引下（Small,2018.DOI:10.1002/smll.201800821;Adv.Sci.,2018,5,700503），以細(xì)菌纖維素作為剛性骨架支撐資料，制備出聚乙烯基甲醚-馬來酸酐多功能聚合物電解質(zhì)（Energ.Environ.Sci.,2018,11:1197-1203）。試驗結(jié)果表明：該聚合物電解質(zhì)能夠兼具安穩(wěn)正極界面和維護(hù)鋰負(fù)極的多功能效果，從而協(xié)同提升了4.45V鈷酸鋰/鋰金屬電池的長循環(huán)安穩(wěn)性。與此同時，該文具體闡明了聚乙烯基甲醚-馬來酸酐聚合物電解質(zhì)的多功能效果機(jī)制（圖1b）。由于在高電壓鈷酸鋰/鋰金屬電池方面的系列工作，研討人員應(yīng)邀為Chem.Soc.Rev撰寫題為Revivinglithiumcobaltoxide-basedlithiumsecondarybatteries-towardhigherenergydensity的綜述（Chem.Soc.Rev.,2018,DOI:10.1039/C8CS00322J），具體論說了高能量密度鈷酸鋰電池的相關(guān)研討進(jìn)展、面臨挑戰(zhàn)以及未來機(jī)遇和發(fā)展方向。

相關(guān)系列研討獲得了國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)方案、中科院納米先導(dǎo)專項、山東省自然科學(xué)基金、青島市儲能行業(yè)科學(xué)研討智庫聯(lián)合基金和青島動力所“一三五”項目等的大力資助。