近日，《先进材料》（Advanced Materials）在线发表我校黄云辉教授与裴非副研究员的最新研究成果“梯度共价-非共价动态键界面自修复聚合物电解质及其在4.6 V级锂金属电池中的应用（Interfacial Self-healing Polymer Electrolytes with Gradient Covalent-Noncovalent Dynamic Bonds for 4.6 V-Class Lithium Metal Batteries）”。该成果在聚合物主链中引入了高键能的硼酸酯键（动态共价键）和快速可逆的氢键（非共价键），通过键能的梯度分布实现室温下固态锂金属电池界面缺陷的高效自修复，同时形成富含B/F的无机界面钝化层，实现高电压锂金属电池的稳定长循环。我校材料科学与工程学院、材料成形与模具技术全国重点实验室为论文第一完成单位及第一通讯单位，2024级硕士生高强为论文第一作者，黄云辉教授、裴非副研究员为论文共同通讯作者。
研究背景
固态电解质（SSEs）是下一代高能量密度锂电池的关键突破性技术，其与高压正极材料（如LiCoO2 (LCO)、富镍层状LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) 以及富锂锰基氧化物）具有优异的兼容性。将其与高容量负极（如锂金属或硅碳（Si-C））相结合，可实现超过500 Wh kg⁻1的电芯级能量密度，同时具备高安全性。然而，本征刚性的无机固态电解质（例如氧化物和硫化物固态电解质）以及柔性聚合物电解质面临一个根本性挑战：电极材料在（脱）锂化过程中会发生显著的体积变化。这会在电极-电解质界面产生巨大的应力/应变集中，进而在固态电解质或界面层中引发微裂纹和物理剥离。这种力学退化会破坏界面离子传输，并升高局部电流密度，从而加速锂枝晶的生长，导致高压锂金属电池容量快速衰减与电池失效。
研究内容
为解决这一问题，黄云辉、裴非团队成功合成了一种基于梯度共价-非共价动态键的界面自修复聚合物电解质（SHPE），以实现固态锂电池在全寿命期间的多界面自主修复。通过合理的分子结构设计，在聚合物主链中引入了高键能的硼酸酯键（动态共价键）和快速可逆的氢键（非共价键）。丰富的羰基氧、醚氧以及动态硼酸酯键促进了Li⁺的传输，室温离子电导率达1.6 × 10−3 S cm−1；低键能的非共价键在室温下具有超快的动态响应特性，能够在数秒内实现对纳米级微裂纹的初始修复；而高键能的动态共价键则可有效修复电池循环过程中累积的微米级应力损伤。这种梯度键能分布克服了硼酸酯键在室温下自修复能力不足的常见问题，实现了室温下固态锂金属电池界面缺陷的高效自修复；原位聚合确保了电极/电解质的紧密接触，大幅降低了界面阻抗。含氟单体预先形成了富含LiF的无机钝化层，同时硼酸酯单元生成了B-O物种。这些组分既能有效抑制界面副反应，又保持了机械稳健性，对稳定高电压锂金属电池的界面化学起到重要作用。
图1. 动态SHPE的分子结构设计。
最后，使用安时级别的软包电池验证了自修复聚合物电解质的应用潜力（图2）3 Ah LCO||Si/C软包电池在0.2 C下循环400次保持率80.4%（图a）1.2 Ah级LCO||Li软包电池0.3 C倍率下循环200次（图b）。通过原位超声监测技术（信号特征为红强蓝弱，反映电池结构与界面状态的变化）发现，使用B-F-SHPE的电池表现出信号强度高且分布均匀的特点，同时循环后产气很少，表明其界面更为稳定（图c−h）。针刺实验表明本工作设计的固态电解质相比商用电解液具有更为优异的安全性（图i、j）。本研究的梯度设计策略为开发高能量密度、长寿命和安全固态电池提供了一种自修复界面材料体系和新的设计范式。
图2. 软包电池的电化学性能及界面表征。
该研究得到了国家自然科学基金委员会（22579058、U25B20207、52202236）、中国博士后科学基金（2024T170300）以及应急管理部电化学能源安全重点实验室（EES2025KF23）的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.74116
