《能源与环境科学》刊发材料学院黄云辉团队在聚合物电解质方面的最新研究成果
今日，国际知名期刊《能源与环境科学》刊发了我院黄云辉教授和袁利霞教授有关聚合物电解质在金属锂电池中的最新研究成果，相关成果以“A flame-retardant polymer electrolyte for high performance lithium metal batteries with an expanded operation temperature”为题在线发表。材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为第一完成单位及第一通讯单位。该研究得到国家自然科学基金（22075091, 21773077, 51632001和51532005）、博士后创新人才支持计划（BX20200139）和国家重点研发计划（2018YFB0905400）等多个基金的资助。
受限于目前传统电解液体系较窄的电化学窗口以及电极材料有限的能量密度，传统的锂离子电池已经不能满足电动汽车等新兴领域不断增长的需求，因此，研发具有更高能量密度的电极材料和电池体系具有十分重要的意义。其中，使用金属锂负极（理论能量密度：3860 mAh g-1，电极电位：-3.04 V vs标准氢电位）是提升电池能量密度的有效途径。然而，将商用液态电解质与高电压正极和金属锂负极配合使用时还存在着诸多挑战。首先，商用液态电解质的电化学稳定窗口较窄，在高电位下易被氧化，不适合用于高电压电池体系。另外，液态电解质与金属锂负极会发生持续的副反应，导致库伦效率降低，循环寿命缩短，严重阻碍了高能量密度金属锂电池的商业化应用。而与液态电解质相比，固态电解质具有无泄漏、易封装、宽电压窗口、高安全性等优点，使其能够更好的匹配高电压正极，并提升金属锂负极的稳定性。因此，利用固态电解质替代传统液态电解质是提升动力电池能量密度和安全性的关键。
经过数十年的发展，根据组成成分的不同固态电解质可以分为无机固态电解质和聚合物固态电解质两大类。与无机固态电解质相比，聚合物固态电解质拥有良好的柔性和可塑性，易加工成各种形状，而且价格相对低廉，更适合大规模生产，因此具有广阔的应用前景。然而聚合物电解质与电极（尤其是正极）的界面接触差、界面电阻高、安全性差等问题限制了其进一步的发展。针对这些问题，该工作以三(五氟苯基)硼烷（TPFPB）作为引发剂，以原位聚合的方法来制备DOL基的聚合物电解质。同时，具有高氟含量的TPFPB受热分解产生的氟自由基还可以通过捕获H⋅和OH⋅等高活性的自由基，提升聚合物电解质的阻燃性能，以解决聚合物电解质易燃、安全性差的问题。而且TPFPB在正极侧分解后，有利于形成富含氟化锂的稳定CEI膜，提升该电解质的高电压耐受能力，有效拓宽电解质的稳定电化学窗口，使其可以匹配高电压正极材料。当该电解质与金属锂负极和硫正极、磷酸铁锂正极以及高电压三元正极匹配成全电池并对其进行电化学性能测试，实验结果表明三种电池都具有优异的电化学性能。
针对金属锂在循环过程中存在的诸多问题，该团队还通过隔膜修饰、界面改性等策略开发出了具有优异电化学性能的金属锂电池（Adv. Funct. Mater., 2021, 2100537；Adv. Mater., 2021, 33, 2007428; Adv. Funct. Mater., 2020, 2009961; Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1902767.）,为金属锂电池的实用化提供了借鉴和启发。
论文原文：
A flame-retardant polymer electrolyte for high performance lithium metal batteries with an expanded operation temperature
Jingwei Xiang,‡, Yi Zhang,‡, Bao Zhang, Lixia Yuan,* Xueting Liu, Zexiao Cheng, Yan Yang, Xinxin
Zhang, Zhen Li, Yue Shen, Jianjun Jiang, Yunhui Huang*
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee00049g#!divAbstract
通讯作者介绍：
黄云辉，华中科技大学材料学院，教授。分别于1988、1991和2000年在北京大学获得学士、硕士和博士学位；2002年任复旦大学副教授，期间在日本东京工业大学作为JSPS研究员开展合作研究，2004-2007年在美国得州大学奥斯汀分校工作，2008年回国到华中科技大学工作，2010-2016年任材料科学与工程学院院长。主要研究领域为锂离子动力与储能电池、下一代锂硫电池和锂-空气电池、钠离子电池、固体氧化物燃料电池，在Science、Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.等学术期刊上，发表学术论文累计400余篇，其中ESI高被引论文48篇、热点论文9篇，2篇论文入选年度“中国百篇最具影响力的国际论文”，引用3万余次，授权或公开专利40余项。2012年获中国侨界贡献奖（创新人才），2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖（均排名第一）。
袁利霞，华中科技大学材料学院，教授。长期致力于下一代金属锂二次电池的研究开发工作，在Nat.Commun.，Energy Environ. Sci.、Joule、Adv. Energy Mater.等期刊发表论文90余篇，其中1篇入选全国百篇最具影响力国际论文，3篇入选热点论文，7篇入选ESI高被引论文，SCI他引接近8000次，H因子39，入选爱思唯尔中国高被引学者（2019, 2020）；获国家自然科学二等奖（2016，排4）、教育部自然科学一等奖（2015，排4）、湖北省自然科学一等奖（2020，排5）。
华中科技大学动力与储能实验室网站链接: http://sysdoing.mat.hust.edu.cn/
