隨著人類社會對清潔能源的需求日漸加深，下一代高比能電池逐漸成為研究熱點。然而，高比能電池材料在充放電過程中會難以避免地發(fā)生巨大的周期性體積變化或枝晶穿刺，造成電池的失效甚至更為嚴重的安全問題。
對此，上海交通大學變革性分子前沿科學中心梁正課題組引入具有能量耗散功能的機械互鎖聚合物網(wǎng)絡(luò)（Mechanically Interlocked Network, MIN）作為鋰金屬電池負極界面層，對充放電過程中電池材料反復(fù)膨脹或枝晶生長產(chǎn)生的機械應(yīng)力進行耗散，實現(xiàn)鋰金屬電池的長效穩(wěn)定循環(huán)。通過網(wǎng)絡(luò)中高密度的[2]輪烷單元在外力下發(fā)生的主客體解離與分子內(nèi)滑動，耗散由于鋰金屬周期性體積變化所帶來的應(yīng)力，避免了應(yīng)力在聚合物界面層中的集中與積累，因而獲得了可長循環(huán)的鋰金屬電池。
本文首先表征了MIN的機械性能。結(jié)果顯示，與非互鎖對照材料相比，MIN體現(xiàn)出更優(yōu)的機械性能與獨特的能量耗散特性。通過宏觀的針刺實驗可知，具備能量耗散能力的MIN表現(xiàn)出更優(yōu)的抗穿刺能力。
形貌表征表明：在MIN界面層的保護下，鋰在銅集流體表面形成了緊實完整的堆積層。即使在多次反復(fù)沉積/剝離后，MIN膜完好無損，保持了結(jié)構(gòu)完整性和界面穩(wěn)定性。相對應(yīng)地，無MIN界面層或非互鎖對照材料界面層均在多次循環(huán)后失效。
電化學測試表明，使用MIN修飾的鋰片組成的對稱電池在1 mA/cm2條件下的循環(huán)壽命達到了1500小時。同時，以MIN修飾的鋰負極與磷酸鐵鋰正極組成的全電池在1 C下穩(wěn)定循環(huán)超過500次，容量保留率為88%。優(yōu)于使用非互鎖對照材料作為界面層或未經(jīng)修飾的鋰負極的電池。 同時，本文通過有限元分析進一步模擬了MIN在鋰的反復(fù)沉積/剝離過程中對負極的保護作用。結(jié)果顯示，具備耗散能力的界面層，在相同的鋰枝晶侵入深度下表現(xiàn)出更低的應(yīng)力與更為均勻的應(yīng)力分布，從而有力地證明了能量耗散作用對保持MIN界面層完整與鋰金屬負極長效循環(huán)穩(wěn)定的重要性。 可以預(yù)見的是，在廣泛的高比能電池體系中，電池材料巨大的周期性體積變化是一個系統(tǒng)性存在的問題。相對于著眼于設(shè)計高模量聚合物材料來應(yīng)對單次的體積膨脹或枝晶穿刺，電池材料的周期性體積變化更值得關(guān)注。而通過該工作，作者證明具備獨特能量耗散機制的機械互鎖聚合物可對這一問題給出很好的應(yīng)對。因此作者預(yù)期，機械互鎖聚合物網(wǎng)絡(luò)可在其他涉及抑制電池材料體積變化的領(lǐng)域展示出更巨大的潛力。 論文信息 Durable Lithium Metal Anodes Enabled by Interfacial Layers Based on Mechanically Interlocked Networks Capable of Energy Dissipation Jun Zhao#, Min Hong#, Zhijin Ju, Xuzhou Yan, Yanzhe Gai, and Zheng Liang*. Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202214386
