新闻网讯（通讯员 裴非）1月8日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表我校材料学院黄云辉教授课题组的研究成果：界面自愈合聚合物电解质实现长寿命固态锂金属电池（Interfacial self-healing polymer electrolytes for long-cycle solid-state lithium-sulfur batteries）。材料学院博士后裴非为论文第一作者，材料学院黄云辉教授、李真教授以及许恒辉教授为论文共同通讯作者。材料学院、材料成形与模具技术全国重点实验室为该项研究的第一完成单位及第一通讯单位。
固态锂金属电池由于其高能量密度和安全性而受到广泛关注，使用锂金属匹配硫基正极可以显著提升全电池的能量密度。然而电解质/电极复杂不稳定的界面问题，如持续的多硫化物穿梭，电解质的快速消耗和锂金属枝晶的不可控生长，严重制约Li-S电池的商业化应用。得益于优异的机械柔韧性和电化学稳定性，使用固态聚合物电解质（SPEs）是解决锂金属电池固有安全问题行之有效的方法。然而，高结晶度、较差的机械强度和锂离子电导率，限制了其进一步应用。而且单凭全固态聚合物电解质的柔韧性无法根本上解决固-固界面的接触问题，其真实的离子电导率并不能够得到充分的发挥。并且目前还没有简便有效的方法来实时跟踪循环过程中的固-固界面接触问题，构建高效的多界面离子传输路径仍然面临严峻挑战。
该工作通过灵巧的分子结构设计，构筑了一种具有自愈合特性的聚醚型聚氨酯固态聚合物电解质以降低界面阻抗，获得高性能的双一体化固态锂硫电池。以具有醚氧结构的低分子量聚四氢呋喃（PTMG）作为软链段解离/传导锂离子，与六亚甲基二异氰酸酯（HDI）反应生成氨酯基（-NH-COO-），在此基础上引入2-羟乙基二硫醚（BHDS）扩链剂显著提升聚合物的摩尔分子量和机械强度（88.3 MPa）；结构中丰富的醚氧和羰基官能团促进锂盐解离，提高了离子导电率（2.4 × 10−4S cm−1）。与传统常规叠层结构的固态电池相比，利用共价二硫键（-S-S-）的动态重排与-NH-COO-之间的氢键，该电解质构筑的双一体化界面自愈合电极/电解质结构的固态Li-S电池，具有良好的界面自愈合能力，修复固体/固体界面缺陷，构筑稳定的界面离子传输路径。
图1. 聚合物电解质结构示意图和固态Li-S电池的结构对比
利用原位超声成像技术实现固态软包电池中多界面接触的原位无损检测，研究固态电池中固-固界面演化，全方位、多层次、高空间分辨成像了循环前后固态软包电池内部界面接触和老化情况。全面评估电池健康状况，探究电池失效机制、优化电池装配过程。Li|PEO|Li软包电池出现大片蓝色区域是由无效的界面接触和Li枝晶持续生长造成的；循环期间Li|PTMG-HDI-BHDS|Li软包电池颜色从绿色到黄色逐渐变化，表明一体化Li@SPE的界面可以通过动态二硫键和氢键实现自愈对称电池内部构筑了高效的界面离子传输路径，形成富含LiF的稳定SEl膜，对称电池能够稳定循环6000 h。
图2. Li|SPEs|Li对称电池的电化学稳定性
采用硫化聚丙烯腈（SPAN）作为正极材料的SPAN|PTMG-HDI-BHDS|Li电池在0.3 C时能稳定循环700圈，容量保持率为93%；所组装的软包电池在0.3 C下，250次循环后电池的容量保持率为91.7%；由于PEO基电解质的分子结构与醚基电解质相似，其穿梭效应仍然是一个严重的问题。以商用炭黑(CB)作为硫载体制备的硫正极(S@CB)在0.3 C下循环350次后仍然保持812 mAh g-1，容量保持率为84.4%，表明具有较低醚氧结构浓度的PTMG-HDI-BHDS/LiFSI可以有效抑制多硫化物的穿梭，获得更高的容量保持率。
图3. 固态锂硫电池（SPAN和S@CB）的电化学性能
该研究得到了国家重点研究开发计划(2021YFB2400300)、国家自然科学基金(52202236、5202780089、52231009、51972131)以及中国博士后科学基金(2022M711232)的资助。
相关链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43467-w
