刘健研究员团队利用多谱学原位分析揭示聚合物固态电解质失效机制

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近日，我所催化基础国家重点实验室微纳米反应器与反应工程学创新特区研究组（05T7组）刘健研究员团队与大连理工大学王治宇、邱介山教授合作，利用多谱学原位分析技术对锂硫电池体系中聚合物固态电解质的失效机制进行了研究。
　　发展高能量、高可靠性的电池技术是研发下一代电池的关键。固态电池使用固体电解质取代易泄漏、易燃易爆的液态电解质，在提升电池能量密度与安全性方面具有优势。但基于氧化物、硫化物等的刚性陶瓷固态电解质易碎、与固态电极界面接触差，固—固界面阻抗大，限制了固态电池的应用性能。与无机固态电解质相比，基于高分子网络的聚合物固态电解质具有更好的力学性能、可加工性与电极界面相容性，在高性能固态电池创制方面具有独特优势，但其传质受限的固态离子化学环境中的催化效应与机制尚不清楚。

　　本工作中，合作团队运用多谱学原位分析技术，对锂硫电池体系中聚合物固态电解质的失效机制进行了深入研究，发现在聚合物固态电解质中，多硫化物中间体倾向于在电极界面发生不可逆积聚，在阻碍界面电荷与离子输运的同时，通过浓度梯度效应推动多硫化物向聚合物固态电解质体相的外向扩散。与具有自由溶剂化离子环境的液态电解质体系不同，扩散至聚合物固态电解质的传质受限化学环境，多硫化物无法通过歧化/归中途径继续发生化学反应，或扩散返回正极参加电化学反应，这一失活效应与多硫化物的不可逆界面积聚效应协同，使基于聚合物固态电解质的锂硫电池快速失效。
　　基于对这一机制的理解，合作团队利用结构明确、具有高催化活性的Ni-N-C单原子结构作为模型电化学催化剂，研究了聚合物固态电解质界面/体相的离子化学环境、多硫化物的失活、固态锂硫电池失效等问题。合作团队将这一策略应用于Ah级固态软包锂硫电池，在全电池层面实现了343 Wh·kg-1的高能量密度，展现了其在实用化电池制造与性能调控方面的潜力。
　　刘健团队近年来在微纳米反应器的构筑及可持续催化应用方面进行了深入系统的研究：构建了系列聚合物，碳基及氧化硅基微纳米反应器（Adv. Mater.，2022；Nat. Commun.，2020；Natl. Sci. Rev.，2020；Energy Environ. Sci.，2021；ASC Nano，2022），并对微纳米反应器的特性及其催化反应过程进行深入研究（Adv. Mater.，2019；Angew. Chem. In. Ed.，2020；Adv. Mater.，2020；Angew. Chem. In. Ed.，2021；Adv. Funct. Mater.，2022）。
　　相关成果以“Diagnosing and Correcting the Failure of Solid-state Polymer Electrolyte for Enhancing Solid-state Lithium-sulfur Battery”为题，于近日发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。该工作的共同一作是大连理工大学孟祥玉、我所05T7组博士后马严富。上述工作得到国家自然科学基金等项目的资助。（文/图 马严富、孟祥玉）
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202212039
       文章来源：大连化物所
      刘健，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员。2017年至今，在中科院大连化学物理研究所工作，被聘为研究员，任微纳米反应器与反应工程学创新特区研究组组长，从事纳米多孔材料的设计合成及在能源、催化等相关领域的基础应用研究。2015年至2017年期间曾任英国皇家化学会（RSC）旗下杂志“RSC Advances”副主编（Associate Editor），科学通报客座编辑，目前受到ELSEVIER旗下国际著名期刊“Materials Today”邀请，任其旗舰期刊“Materials Today Sustainability” 主编（Editor-in-Chief）。在包括 Nature Mater., Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., 等国际刊物发表正式论文146余篇（Nature子刊3篇，Angew. Chem. 9篇）。至目前为止，所发表论文已被 SCI 引用超过 9500余次，H 因子为 48。受邀为CRC Press编写“Mesoporous Materials for Energy Storage and Conversion”专著一本，参与6本书章的编写。