基于陰離子（脫）嵌入石墨正極的雙離子電池因其成本低，工作電壓高和輸出功率大等優點，有望在下一代大規模儲能設備中廣泛應用。目前，雙離子電池中使用的電解液以碳酸酯類電解液為主，這類溶劑難逃高電壓的“魔爪”，極易在正極/電解液界面處氧化分解，降低了電池的庫倫效率（＜90%）和循環穩定性。除此之外，還有一個瓶頸問題——溶劑共嵌，即在充電過程中，由于陰離子和溶劑之間存在氫鍵相互作用，溶劑會跟隨陰離子共嵌于石墨層間。這種共嵌入行為易導致石墨結構剝離和溶劑的氧化分解，嚴重影響電池的壽命，阻礙了雙離子電池的商業化進程。目前，提升雙離子電池循環性能的報道主要是通過構筑物理阻隔層來抑制電解液的氧化分解，專門研究陰離子-溶劑共嵌入行為及解決方法的工作卻鮮有報道。
圖1. 液態電解液與聚合物電解質中溶劑共嵌行為對比示意圖
近幾年，青島能源所固態能源系統技術中心在雙離子電池高電壓界面問題以及抗氧化電解液研究等科學領域深入鉆研，初步取得了有影響力的研究進展（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1804022；J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1451–1456）。團隊在鈦酸鋰包覆石墨的實驗中發現物理涂覆層可以阻擋溶劑嵌入，那么，能否找到簡單高效且主動抑制溶劑共嵌的方法呢？在深入調查陰離子-溶劑配位關系的基礎上，提出了通過調控陰離子溶劑化結構，以弱化陰離子與溶劑的相互作用和促進陰離子去溶劑化的最根本的解決方案。該中心受到生物細胞膜的選擇透過性功能的啟發，首次設計了一種具有“陰離子選擇透過性”的聚合物電解質。該電解質由兩種分別含有季銨鹽陽離子基團的單體（MTMA-PF6）和環狀碳酸酯基團的單體（CUMA）原位聚合而成，有效地抑制了溶劑共嵌和電解液的氧化分解，維持了循環過程中石墨結構完整性，進而大幅度提升了電池的循環穩定性和庫倫效率。通過光譜表征和理論計算證明，季銨鹽陽離子基團可以與陰離子形成強靜電作用，參與了陰離子的溶劑化結構，進而減弱陰離子和碳酸酯溶劑的相互作用，并在陰離子嵌入石墨過程中“錨定”溶劑分子，促進陰離子去溶劑化（如圖1所示）。V型管滲透試驗和XPS刻蝕等方法證明了聚合物骨架有效抑制了溶劑共嵌和分解。特別值得強調的是，CUMA單體有助于提高界面兼容性，構筑了一層牢固的有機無機復合界面層，對提高電解液穩定性和電池長循環性能起到協同作用。得益于聚合物設計策略的合理性，在截止電壓5.4V和2C的條件下，電池循環2000圈，容量保持率為87.1%，平均庫倫效率高達99%，經過多年技術革新，雙碳電池庫倫效率提升了14%，性能優于大多數文獻報道（見表1）。此研究為雙離子電池電解液的開發和陰離子-溶劑共嵌入的問題提供了新的解決思路。
表1. 不同電解液體系截止電壓及庫倫效率
相關結果已于近日發表在Advanced Materials期刊上，論文共同第一作者為青能所在讀博士姜虹竹和韓曉琪、杜曉璠兩位老師。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略先導項目、山東省重點研發計劃等項目的支持與資助。（文/圖 姜虹竹 張煥瑞）
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108665
Hongzhu Jiang#, Xiaoqi Han#, Xiaofan Du#, Zheng Chen, Chenglong Lu, Xintong Li, Huanrui Zhang*, Jingwen Zhao, Pengxian Han, and Guanglei Cui*. A PF6 -Permselective Polymer Electrolyte with Anion Solvation Regulation Enabling Long-cycle Dual-ion Battery. Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202108665
