薛志刚/周兴平EnSM: 制备瓶刷聚酯基固体聚合物电解质的自催化策略

作为解决锂金属电池（LMBs）安全问题的希望，具有可控结构的固体聚合物电解质（SPEs）在构建高性能LMBs方面越来越受到关注。

在此，华中科技大学薛志刚教授、周兴平教授等人设计并合成了一种瓶刷型聚（ε-己内酯）（PCL）基电解质，并讨论了瓶刷型聚合物的结构对制备的SPE性能的影响。具体而言，作者设计了一种可以引发和催化环内酯开环聚合（ROP）的大分子前体（PHMA），并通过自催化策略获得瓶刷型聚酯。所获得的瓶刷聚合物（PH-PCL）的多层结构赋予了SPE的多种性能。

首先，构成PH-PCL短程结构的PCL和羧酸组分赋予SPE增加的锂离子迁移数并抑制锂枝晶的生长。其次，长程瓶刷型结构更有利于锂离子的传导，从而获得进一步提高的离子电导率和锂离子迁移数。最后，在聚集体结构层面，PH-PCL在电解质中表现出可忽略不计的结晶度，这也对电解质的电化学性能做出了重要贡献。

图1. PH-PCL的合成路线及原理示意图

因此，这种基于PCL的SPE在室温下具有5.53×10^-5 S cm^-1的高离子电导率，且在60℃时具有0.82的高锂离子迁移数。由于PHMA主链中的羧酸基团与锂金属负极发生原位反应实现对电池的保护，组装的Li/Li电池实现了800小时以上的稳定剥离/电镀循环。

更有意义的是，由瓶刷式SPE组装的LMB在环境温度和高温下都实现了良好的循环性能。具体而言，Li/0.6PH₁₁₅-PCL/LFP电池在室温下的初始放电比容量为148.5 mAh g^-1，在0.1C下循环超过150 h后最终放电比容量为121.3 mAh g^-1，这归因于由于良好的链柔韧性和瓶刷式结构对PCL结晶度的抑制。总之，这种自催化策略为制造用于常温LMB的高性能SPE提供了一种有前景的方法。

图2. 基于该SPE的实用LMBs的电化学性能

A self-catalyzed strategy towards facile fabrication of bottlebrush polyester-based solid polymer electrolytes, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.01.029

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