加州大学忻获麟团队，贺玉彬博士Angew：选择性的单锂离子传导聚合物电解质提升锂金属负极电池的长循环寿命

锂金属具有极高的能量密度（3680 mAh/g），被认为是下一代储能电池的理想负极材料。在锂金属电池中，传统液态电解质和聚合物电解质均为双离子导体(DIC)。其中阴离子不参与电极反应，而其在电解质内的迁移会导致低Li⁺迁移数、浓差极化、锂盐耗尽等问题，并诱发锂枝晶的生成。

基于上述问题，加州大学尔湾分校的忻获麟团队报道了一种新型单离子传导电解质(SIC)。该工作从商业单体出发，利用UV引发的自由基聚合反应，一步法制备了高迁移数（0.85）、高离子传导率（6.3×10^-5 S/cm @ RT）的聚合物电解质。相比于传统双离子传导电解质（DIC），SIC能有效促进锂金属负极的形貌稳定性，提高击穿电流密度，从而最终实现了循环寿命达4500圈的Li-LiFePO₄聚合物电池。该工作发表于国际顶级期刊Angew. Chem., 第一作者为贺玉彬博士。

在SIC电解质中，锂离子传导机理符合Vogel–Fulcher–Tammann（VTF）方程，其中塑化剂（PEG250低聚物）的引入有效促进了高分子骨架的链段弛豫（Tg=-77.2 oC），从而显著降低了Li⁺传输的活化能垒（7.72 kJ/mol）。此外，由于阴离子与高分子骨架的共价键接，其Li⁺迁移数可达0.85，是对照双离子传导电解质（DIC）的2倍以上。

SIC较高的迁移数能有效抑制浓差极化、锂盐耗尽等问题。在Li-Li对称电池中，SIC的击穿电流可达2.4 mA/cm²。另一方面，尽管DIC具备较高的离子电导率，但是其低迁移数则导致了严重的极化过电势，最终击穿电流仅为0.8 mA/cm²。

作者进一步采用原位光镜、SEM和冷冻电镜研究了锂负极的宏观尺度-微米尺度-原子尺度形貌。结果表明高Li⁺迁移数的SIC能实现锂金属的致密、均匀、稳定沉积。而DIC下沉积的锂金属则结构疏松多孔，且伴随着枝晶的形成。这一结果进一步解释了SIC的优异的电化学性能（高击穿电流、优异的界面稳定性）。

最终，基于SIC的Li-LiFePO₄聚合物电池在室温、0.5C条件下实现了4500圈的循环寿命，容量保持率为70.2%。这一优异性能得益于SIC的高迁移数有效抑制了浓差极化，并显著提升了锂负极的界面稳定性。此外，该工作采用的一步法UV聚合具备高效（10min）、无溶剂、高单体转化率（~100%）等优势，可显著消除残余杂质对电池性能的影响。该工作为解决聚合物电解质在锂金属电池应用中的固有问题提供了一种新策略。

Anion-tethered Single Lithium-ion Conducting Polyelectrolytes through UV-induced Free Radical Polymerization for Improved Morphological Stability of Lithium Metal Anodes

《德国应用化学》(Angewandte Chemie)创刊于1888年，是德国化学学会（GDCh）的官方期刊并由Wiley–VCH出版。作为化学领域的权威期刊，《德国应用化学》涵盖了化学研究的各个领域，刊发包括新闻、综述、观点、通讯、研究论文等在内的各种内容。