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  鋰離子電池目前已被廣泛應用于日常生活的方方面面，但隨著人們對能量密度需求的不斷增加以及傳統(tǒng)電極材料逐漸接近于其理論容量極限，開發(fā)下一代高能量密度可充電電池變得極具現(xiàn)實意義。在所有的負極材料中，金屬鋰憑借其超高的理論比容(3860 mAh g^-1)和最負的電極電位(-3.04 V vs SHE)成為未來二次電池的“終極”電極。但鋰金屬電極在真正實現(xiàn)商業(yè)化之前還存在著諸多問題：首先是由于鋰離子的不均勻沉積所造成的鋰枝晶問題。鋰枝晶的不可控生長有刺穿隔膜、造成電池起火爆炸的風險。其次是鋰金屬和有機電解液反應所形成的固態(tài)電解質界面(SEI)膜在鋰金屬電極的膨脹過程中極易破碎，造成金屬電極和電解液的持續(xù)消耗，從而縮減電池的循環(huán)壽命。

  為了解決鋰金屬電極所面臨的這些問題，科研工作者開發(fā)出了諸多策略，其中在電極表面構建聚合物基電極保護膜憑借其可加工性強、化學/電化學穩(wěn)定性高等優(yōu)勢引起了越來越多的研究興趣。聚合物保護膜能夠有效調控鋰離子的遷移行為、抑制潛在的鋰枝晶的生長并減小鋰金屬和電解液的副反應，從而有效穩(wěn)定鋰金屬電極，提升鋰金屬電池的電化學性能。

  但盡管聚合物保護膜在前期的研究中展現(xiàn)出了出色穩(wěn)定鋰金屬電極的特性，但距離真正的實際應用仍有很長的路要走。其中一個重要的原因是當前實驗室水平測試的性能并不能有效的在實際應用中重復。很多影響因素，諸如電解液用量、正極負載量、鋰金屬電極厚度等對最終的電化學性能都有著直接關聯(lián)。而這些往往在實驗室中被忽略的因素恰恰是推動材料設計在實際應用中的關鍵所在。因此，為了消除這種實驗室-實際應用之間的障礙，在實驗室水平上對電池進行接近實際應用的測試極為重要。但這些苛刻的實驗條件對聚合物保護膜的性能提出了更高的要求，比如電化學穩(wěn)定性和離子電導率更高、機械性能更為優(yōu)異等。除此之外，合成聚合物的原料以及制備工藝需要考慮低成本以及規(guī)模化生產(chǎn)。

  通過合理的結構設計和高效的材料工程加工，多孔聚合物可以在沒有任何離子導電基團的情況下提供Li⁺的傳輸通道。這一特性顯著拓寬了可用于穩(wěn)定鋰金屬電極的聚合物的選擇范圍。此外，和傳統(tǒng)的離子導電聚合物保護膜相比，多孔聚合物還有很多其他優(yōu)點，如化學/電化學穩(wěn)定性更高、制備成本更低、電解質浸潤性更好。這些優(yōu)點使多孔聚合物即使在高電流密度下也能有效地延伸枝晶生長的物理路徑，從而阻止隔膜的穿透，使多孔聚合物具有實際應用的潛力。

  近日，北京化工大學曹鵬飛教授和南開大學楊化濱研究員在Advanced Functional Materials發(fā)表了“Are Porous Polymers Practical to Protect Li-Metal Anodes? - Current Strategies and Future Opportunities”的綜述文章，系統(tǒng)歸納分析總結了多孔聚合物穩(wěn)定鋰金屬電極的機理、就實際應用而言多孔聚合物的設計原則、規(guī)模化生產(chǎn)方法以及近幾年的研究進展。面向未來，多孔聚合物如何實際應用于高性能鋰金屬電池，作者也對研究方向和策略進行了進行了一定的展望。南開大學材料科學與工程學院助理研究員高世倫為論文第一作者，楊化濱研究員和曹鵬飛教授為共同通訊作者。

多孔聚合物穩(wěn)定鋰金屬電極的機理及其設計原則

圖1. 多孔聚合物作為保護膜的分類

圖2. 多孔聚合物引導鋰離子沉積模擬計算結果

圖3. 多孔聚合物的孔徑對鋰離子傳輸?shù)挠绊?/span>

  由于從實驗室材料的設計開發(fā)到材料的實際應用存在著較多壁壘，作者認為設計可規(guī)模化應用的多孔聚合物來穩(wěn)定鋰金屬電極應該遵循以下原則：

① 針對不同的聚合物，設計不同的孔徑；

② 聚合物能夠承受較高的電流密度；

③ 聚合物具有優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性；

④ 聚合物的電極潤濕性較好；

⑤ 聚合物的厚度與機械強度之間能夠達到較好的平衡；

⑥ 能夠低成本規(guī)模化生產(chǎn)。

不同種類多孔聚合物穩(wěn)定鋰金屬電極的研究進展

  雖然多孔聚合物在實驗室學術研究的中能夠有效穩(wěn)定鋰金屬電極，但從實驗室材料開發(fā)到實際應用還有很長的路要走。實驗室的測試條件遠不如實際應用苛刻，這也造成了從材料開發(fā)到產(chǎn)品應用中巨大的鴻溝。

展望

  多孔聚合物能夠有效穩(wěn)定鋰金屬電極，為了進一步開發(fā)其在實際應用中的潛力，作者提出了如下研究方向：

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202202013

作者簡介：

  高世倫，南開大學材料科學與工程學院助理研究員。2018年在天津理工大學獲得工學碩士學位，師從張聯(lián)齊研究員，并于同年進入南開大學材料科學與工程學院攻讀博士學位，導師楊化濱研究員、曹鵬飛教授。2021年以優(yōu)異成績畢業(yè)獲工學博士學位。主要研究方向為功能性聚合物的設計、合成及其在能源材料領域的應用，包括聚合物電解質、聚合物基人工SEI膜以及聚合物粘結劑等。近五年發(fā)表論文15篇，其中以第一作者在Adv. Funct. Mater.、Mater. Today、Matter、Nano Energy、Cell Rep. Phys. Sci.等期刊發(fā)表學術論文9篇。

  楊化濱研究員：南開大學材料科學與工程學院研究員、博士生導師。于1993年和1998年在南開大學獲得理學學士和博士學位。2002-2004年在日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所（關西中心）任職為日本學術振興會（JSPS）外國人特別研究員。目前主要從事高效儲能材料以及高分子聚合物材料的基礎應用研究。作為項目負責人先后承擔了863計劃子課題、國家自然科學基金、教育部科技支撐計劃、教育部科學技術重點、天津市科技支撐計劃、天津市應用基礎及前沿課題和多項橫向課題。近年來，在Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Materials Today、ACS Appl. Energy Mater.、Adv. Mater. Interfaces等期刊發(fā)表諸多論文。

  曹鵬飛教授：北京化工大學材料科學與工程學院教授、博士生導師，國家級高層次青年引進人才，現(xiàn)任高分子旗艦雜志Macromolecules 編委， Scientific Reports 科學編輯和MRS Communications 副主編。2008年、2010 年于天津大學分別獲得化學學士和高分子碩士學位，2015年于美國凱斯西儲大學取得高分子科學與工程博士學位，2016年2月開始在美國橡樹嶺國家實驗室做博后研究助理，2019年1月至2022年3月為美國橡樹嶺國家實驗室正式研究員(Staff Scientist, 獨立PI）。主要研究方向：高性能高分子材料（功能性彈性高分子為主）的設計與合成、性能分析及其在能源和建筑工程領域的應用。至今發(fā)表SCI學術文章70余篇，以通訊作者或第一作者在Macromolecules、Matter、 Angew. Chem. 、 Adv. Energy Mater.、 ACS Energy Lett. 、 Adv. Funct. Mater.、Mater. Today等國際主流期刊發(fā)表論文40余篇，撰寫著作章節(jié)3部，獲得授權美國國家發(fā)明專利6項。近三年以來主持能源部研究項目4項，共同主持10余項，其主持的自修復彈性密閉膠項目憑借其產(chǎn)業(yè)價值獲得2021年度科技界奧斯卡之稱的R&D 100 Award。此外，曹鵬飛教授還獲得2021年美國化學會高分子杰出青年研究獎（PMSE Young-Investigator Award）。

  曹鵬飛教授課題組現(xiàn)誠聘編制內教師、博士后及2023級博士研究生。除了基本待遇，課題組將根據(jù)工作能力和對課題組貢獻提供額外補貼。博士后人員在站期間取得突出成績，滿足學校公開招聘專任教師任職條件者，可優(yōu)先聘任至校內相應崗位。有意者請將個人簡歷成果等相關材料發(fā)送至曹鵬飛教授郵箱（caopf@buct.edu.cn），將及時給予面試討論。