近年来，锂离子电池在电子设备、电动汽车、大型储能装置和航空航天等领域得到了广泛的应用。然而，传统锂离子电池的能量密度仅为~240 Wh kg-1或~640 Wh L−1。提高电池能量密度的关键是提高电池两极之间的工作电压和理论比容量。在负极材料中，金属锂具有超高的理论比容量（3860 mAh/g）和最大的负还原电位（相对于标准氢电极为-3.04V），被认为是一种非常有前途的负极材料。
然而，以金属锂为负极的金属锂电池（一般包括锂硫电池、锂氧电池和以传统NMC为正极的Li-LMO电池）通常面临着锂枝晶生长不可控和固体电解质界面（SEI）膜不稳定等问题引起的电池容量迅速衰减，甚至起火爆炸。
为了解决这一问题，研究者们采取了一系列的方法，取得了比较好的效果。如隔膜的改性、复合电极的制备、固体电解质的研制、人工固体电解质界面膜的制备等。在这些方法中，利用聚合物制备人工SEI薄膜可以有效地提高锂金属电极的界面稳定性，抑制锂枝晶的不可控生长，从而提高锂金属电池的电化学性能。
近日，南开大学的杨化滨研究员联合美国橡树岭国家实验室的曹鹏飞研究员在国际顶级期刊Materials Today（IF=26.42）上发表最新综述： “Ionic Conductive Polymers as Artificial Solid Electrolyte Interphase Films in Li Metal Batteries – A Review”。
该文系统总结了近年来离子导电聚合物作为人工SEI膜在金属锂电池领域的最新研究进展，重点介绍了近年来相关聚合物在抑制锂枝晶和稳定锂金属界面方面的代表性工作，并提出了从离子导电聚合物的角度看锂金属负极研究所面临的问题及解决办法。
该论文的第一作者为南开大学材料学院博士二年级学生高世伦，杨化滨研究员与曹鹏飞研究员为共同通讯作者。美国佐治亚理工学院的刘念教授以及南开大学硕士研究生孙斐源同学也参与了论文的写作与修改工作。
要点一：聚合物基人工SEI膜稳定性高、机械强度高、 柔韧性好，能够更好的保护锂金属电极
固体电解质界面（SEI）膜在抑制锂枝晶生长和保护电极方面起着重要作用。然而，自然形成的SEI的机械强度低，在锂金属电极的不断变化过程中容易断裂，从而失去其作用。
为了解决这一问题，研究人员提出了人工SEI薄膜的概念。根据材料的不同，人工SEI膜可分为无机人工SEI膜和有机人工SEI膜。无机材料具有较高的机械强度和较高的离子导电性，但由于其脆性，在电极体积变化过程中极易断裂，失去保护作用。虽然有机SEI薄膜的机械强度低于无机材料，但其加工性能和柔韧性都有很大提高。合理设计的有机SEI膜能有效抑制锂枝晶的形成，提高锂金属电池的稳定性。
要点二：离子传导型聚合物可分为非极性基团、极性基团、带电基团以及组合基团型聚合物
根据锂离子导电方式的不同，将离子导电聚合物分为非极性基团、极性基团、带电基团和组合基团聚合物。每种聚合物都有自己的优缺点：
对于非极性基团聚合物（主要是PEO基聚合物），聚合物具有更高的离子传输能力和更好的柔韧性。另外，以往作为聚合物基固体电解质的研究经验可为当前人工SEI膜的研究提供参考。然而，这类聚合物的离子电导率受聚合物结晶度的影响很大，抑制结晶度是研究的热点之一。
对于极性基团聚合物，由于电解质与极性基团之间的偶极-偶极相互作用，酯类电解质的活性受到抑制，将使形成的SEI膜中的阴离子组分增加。然而，这种偶极-偶极相互作用随极性基团和电解质的类型而变化。带电基团型聚合物能大大增加阳离子的迁移数，有助于实现锂离子均匀稳定的迁移，抑制锂枝晶的形成。
然而，一些带电荷基团的聚合物，如全氟磺酸，其力学性能较差，限制了其应用。与无机材料混合提高机械强度是一个研究方向。具有多个离子导电基团的聚合物可以发挥各种导电聚合物的独特优势，但相应的制备条件也比较复杂。因此生物衍生材料是一个很有前途的发展方向。
在金属锂一直是非常理想的负极材料之选，但是在实际应用中，锂金属自身的安全性隐患和低库伦效率严重限制了金属锂负极的发展。为了获得长循环、高容量和高安全性的金属锂电极，电解液的开发、电解质的制备、复合电极的制备乃至锂金属的保护仍需进一步的设计探索和优化。
利用导离子聚合物作为人工SEI膜是新兴的研究领域，通过合理的设计，能取得比较理想的电化学性能。本文中，作者总结了离子导电型聚合物作为人工SEI膜的在锂金属电池领域的最新研究进展，重点介绍了近几年相关聚合物在抑制锂枝晶以及稳定锂金属界面方面的代表性工作。
但是，不可否认的是，锂金属电池人工SEI膜制备的各项标准以及电池测试流程的标准化亟待进一步规范。以安全性为前提，在提升电池循环寿命的同时，量化聚合物SEI膜的各项指标，比如人工SEI膜的厚度、模量、离子电导率、电解液的吸收量等。
锂金属电池的测试方面，作者认为应该建立领域内公认的测试标准。比如Li-Cu电池的测试，使用1μm厚的铜箔，在0.5 mA cm-2的电流下，容量为1 mAh cm-2等。同样的测试标准液应该在电解液的添加量、锂箔的厚度以及正极的面容量等方面制定。
相信通过不同学科工作人员的共同努力，在未来的发展中，聚合物在能源领域的应用必将发挥更大作用。
Ionic Conductive Polymers as Artificial Solid Electrolyte Interphase Films in Li Metal Batteries – A Review
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.06.011
杨化滨，男，南开大学材料科学与工程学院研究员、博士生导师。于1993年和1998年在南开大学获得理学学士和博士学位。2002-2004年在日本产业技术综合研究所（关西中心）任职为日本学术振兴会（JSPS）外国人特别研究员。目前主要从事高效储能材料以及高分子聚合物材料的基础应用研究。作为项目负责人先后承担了863计划子课题、国家自然科学基金、教育部科技支撑计划、教育部科学技术重点、天津市科技支撑计划、天津市应用基础及前沿课题和多项横向课题。近年来，在Nano Energy、Materials Today、ACS Appl. Energy Mater.、Adv. Mater. Interfaces等期刊发表诸多论文。
曹鹏飞， 男，美国橡树岭国家实验室(ORNL)研究员。在天津大学获学士 (2008)和硕士学位 (2010)。2015年12月在美国凯斯西储大学(Case Western Reserve University)获得高分子科学与工程博士学位。2019年1月受聘ORNL正式研究员，申请并负责多项能源部研究课题。致力于结构和性能可控的合成高分子的基础和应用研究，目前主要从事高性能弹性体的制备及应用和合成高分子在锂电池的应用。至今，以通讯和第一作者在Angew. Chem.，Macromolecules, Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett.等期刊发表文章30篇。
高世伦，男，2015年毕业于烟台大学，化学化工学院，高分子材料与工程专业。同年进入天津理工大学攻读硕士，师从于张联齐研究员，从事锂离子电池正极材料的研究与开发。2018年进入南开大学攻读博士学位，目前博士二年级，主要从事有机聚合物材料的设计制备以及在新能源材料领域的应用。博士生导师为杨化滨研究员。在博士期间参与发表学术论文7篇，其中以第一作者身份在Nano Energy (IF=15.5)、Materials Today (IF=26.42)以及Electrochim. Acta发表学术论文各一篇，申请中国发明专利一项。
小tips: 他还创立了个人微信公众号“研海拾珠”（ID：yanhaishizhu），主要向大家提供博士申请以及研究生科研、生活等方面的经验教训与资源分享，欢迎大家搜索关注。
说明
🔹本文内容若存在版权问题，请联系我们及时处理。
🔹欢迎广大读者对本文进行转发宣传。
🔹《科学材料站》会不断提升自身水平，为读者分享更加优质的材料咨询，欢迎关注我们。
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点击“在看”分享你的观点
