麦立强/徐林，最新Angew！

第一作者：Hantao Xu

通讯作者：麦立强、徐林

通讯单位：武汉理工大学

论文速览

通过原位聚合含有氢键官能团的单体，可以制备具有优异机械性能、自修复能力和高锂离子传输数的凝胶态聚合物电解质（GPEs）。然而，人们忽视了氢键供体中的活性氢原子与锂金属电池（LMBs）中的锂金属发生置换反应，导致锂金属腐蚀的问题。

研究发现，向富含氢键的凝胶态电解质中添加氢键受体，可以通过形成氢键分子间相互作用来调节活性氢原子的化学活性。实验结果表明，添加的氢键受体通过封装活性氢原子来抑制锂金属的界面化学腐蚀，从而增强聚合物结构和界面的化学稳定性。

采用这一策略，1.1 Ah LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/Li金属软包电池在100个循环后实现了96.3%的容量保持率。这项新方法为实现原位聚合高度稳定的凝胶态基LMBs提供了一条可行的路径。

图文导读

图1：展示了富氢键的凝胶态聚合物电解质与锂金属阳极（LMA）之间的界面反应机制。

通过分子封装效应，可以显著抑制活性氢原子与LMA之间的化学腐蚀反应，从而增强电解质的化学稳定性和界面相容性。

图2：通过1H NMR光谱等技术表征了合成的TUEM单体以及PTUEM-PE的制备过程。

通过改变FEC的浓度，研究了其对PTUEM-PE中氢键相互作用的影响，并通过NMR谱图的变化确定了最佳FEC浓度，同时利用1H–19F HOESY和1H–1H NOESY实验进一步证实了分子间的氢键作用。

图3：利用分子动力学（MD）和密度泛函理论（DFT）模拟深入探讨了PTUEMF-PE中氢键分子间相互作用和溶剂化结构。

模拟结果表明，添加FEC后，PTUEM与FEC形成了氢键对，有效抑制了PTUEM对锂金属的吸附，增强了电解质的化学稳定性。

图4：通过Li/Li对称电池的电压曲线、界面阻抗拟合结果、Cu/Li电池的库仑效率测试等实验数据，展示了PTUEMF-PE在电池性能上的优势。

原位ATR-FTIR和GC实验进一步证实了分子封装效应对抑制活性氢原子与LMA之间化学反应的积极作用。XPS和3D TOF-SIMS分析揭示了PTUEMF-PE在形成稳定界面方面的效果。

图5：PTUEMF-PE在全电池应用中的性能，包括LiFePO₄/Li和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/Li电池的循环性能和倍率性能。

结果表明，PTUEMF-PE能够显著提高电池的循环稳定性和容量保持率，证明了其在实际应用中的巨大潜力。

总结展望

本研究设计并原位制备了一种新型的富氢键的PTUEMF-PE，并发现通过分子封装效应可以调节聚合物基质中活性氢原子的化学活性。具体来说，添加的氢键受体能够封装氢键官能团中的活性氢原子，从而抑制了锂金属阳极的界面化学腐蚀。

通过这种策略，对称电池在0.5 mA cm⁻²的电流密度下实现了超过1000小时的稳定镀锂/剥离。此外，相应的实用型1.1 Ah锂金属软包电池也展示了稳定的循环性能。这项工作展示了通过引入氢键受体来制造稳定的凝胶态锂金属电池的巨大潜力。

文献信息

标题：The Role of the Molecular Encapsulation Effect in Stabilizing Hydrogen-Bond-Rich Gel-State Lithium Metal Batteries

期刊：Angewandte Chemie International Edition

DOI：10.1002/anie.202400032