韦伟峰Matter: 电解液中植入离子选择性“皮肤”实现高能安全的锂硫电池

锂硫（Li-S）电池被认为是下一代锂电池的有希望的候选者，但其商业化仍受多硫化物穿梭和锂枝晶生长问题的影响。电解液中的离子电动调节对于缓解Li-S电池中的多硫化物穿梭和枝晶生长具有重要意义。

在此，中南大学韦伟峰教授等人受离子交换膜可调溶质-聚合物相互作用的启发，通过原位凝胶化在电解质中植入由甲基丙烯酸异氰基乙酯接枝聚乙烯亚胺（PEI-IEM）构成的离子选择性“皮肤”。受益于该设计皮肤中的超支化网络结构和丰富的极性基团（-N-H-/-C=O-），基于PEI-IEM的凝胶聚合物电解质（GPE）实现了合理的多硫化物和锂离子调节并提高了安全性：

（1）多重具有电负性的亲和位点提供了双Li-N和Li-O相互作用来锚定多硫化物，从而强烈抑制穿梭效应；

（2）离子自浓缩动力学导致Li⁺的局部浓度高于本体溶液中的浓度，从而在锂负极上产生高效的锂离子传导和无枝晶的锂沉积物；

（3）高度交联的聚合物骨架可防止液体电解质（LE）的泄漏和易燃性。

图1. 基于PEI-IEM的GPE的合成、结构和表征

电化学测试表明，基于PEI-IEM基GPE的Li-Cu电池显示出稳定的循环性能，在高达700次循环后保持稳定的99.13% 的库仑效率（CE），而具有LE的电池在275次循环后观察到CE快速衰减至52.58%。在3.54 mg cm^-2的高S负载下，具有基于PEI-IEM的GPE的电池在0.1C下循环100次后仍可获得 650.6 mAh g^-1的高可逆容量。甚至在60℃、1C条件下，该电池循环200次后仍保持601.6 mAh g^-1的高可逆容量，对应平均每循环0.17%的低衰减率。

此外，定制的10 Ah额定容量软包Li-S电池在低电解质/S比（2.6）和负/正容量比（2.4）条件下也实现了412.7 Wh kg^-1的高比能量。总之，这项研究为离子选择性皮肤策略开辟了可能性，以减轻多硫化物穿梭和枝晶生长同时促进高能/安全锂硫电池的发展。

图2. Li-S软包电池制造和实际测试

Implanting an ion-selective “skin” in electrolyte towards high-energy and safe lithium-sulfur battery, Matter 2022. DOI: 10.1016/j.matt.2022.04.017