王治宇教授团队AM：多谱学原位分析聚合物固态电解质失效机制

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发展高能量、高可靠性的电池技术对于突破“里程焦虑”与“安全焦虑”，提升我国能源互补能力与低碳能源产业链价值具有重要战略意义。作为下一代电池技术的前沿焦点，固态电池使用固体电解质取代易泄漏、易燃易爆的液态电解质，在提升电池能量密度与安全性方面具有得天独厚的优势。但基于氧化物、硫化物等的刚性陶瓷固态电解质易碎、与固态电极界面接触差，固-固界面阻抗大，限制了固态电池的应用性能。与无机固态电解质相比，基于高分子网络的聚合物固态电解质具有更好的力学性能、可加工性与电极界面相容性，在高性能固态电池创制方面具有独特优势，但其传质受限的固态离子化学环境中的催化效应与机制研究尚属研究甚少的领域。
         近日，精细化工国家重点实验室王治宇、邱介山教授团队与大连化学物理研究所刘健研究员合作，在材料与能源科学领域旗舰期刊Advanced Materials发表题为“Diagnosing and correcting the failure of solid-state polymer electrolyte for enhancing solid-state lithium-sulfur battery”的研究论文。运用多谱学原位分析技术，对锂硫电池体系中聚合物固态电解质的失效机制进行了深入研究。发现在聚合物固态电解质中，多硫化物中间体倾向于在电极界面发生不可逆积聚，在阻碍界面电荷与离子输运的同时，通过浓度梯度效应推动多硫化物向聚合物固态电解质体相的外向扩散。与具有自由溶剂化离子环境的液态电解质体系不同，扩散至聚合物固态电解质的传质受限化学环境中以后，多硫化物无法通过歧化/归中途径继续发生化学反应，或扩散返回正极参加电化学反应，这一失活效应与多硫化物的不可逆界面积聚效应协同，使基于聚合物固态电解质的锂硫电池快速失效。
        基于对这一机制的理解，利用结构明确、具有高催化活性的Ni-N-C单原子结构作为模型催化剂，展示了利用电催化效应调控聚合物固态电解质的界面/体相离子化学环境，抑制多硫化物失活与固态锂硫电池失效之策略的可行性。将这一策略应用于Ah级固态软包锂硫电池，在全电池层面实现了343 Wh kg-1的高能量密度，展现了其在实用化电池制造与性能调控方面的潜力。

图1聚合物固态电解质和液态电解质中，锂硫电池正极界面与电解质体相化学环境之差异的原位分析。

图2 聚合物固态电解质的传质受限离子化学环境中，单原子催化剂对锂硫电池反应的催化效应原位表征。

       论文第一作者为精细化工国家重点实验室、化工学院博士生孟祥玉。工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金会、大连理工大学的共同资助支持。
       文献详情：Meng Xiangyu, Liu Yuzhao, Ma Yanfu, Boyjoo Yash, Liu Jian, Qiu Jieshan, Wang Zhiyu. Diagnosing and correcting the failure of solid-state polymer electrolyte for enhancing solid-state lithium-sulfur battery, Advanced Materials, 2023, 2212039
       链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212039
      


            文章来源：大连理工大学
     
        王治宇，教授，博士生导师，大连理工大学化工学院副院长，辽宁省微纳米技术及系统重点实验室纳米材料与器件研究室副主任。国家自然科学基金优秀青年基金获得者、德国洪堡学者、大连理工大学“星海杰青”。主要从事纳米新能源材料的基础与应用研究工作（锂二次电池、电化学催化等）。在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Energy Environmental Science等国际知名学术期刊发表论文60余篇，论文SCI他引59900余次，出版专著1部，H-index: 37。承担国家自然科学基金优秀青年基金、中组部青年##计划专项资金、国家自然科学基金面上项目、霍英东青年教师基金等课题项目。任英国Nature出版集团刊物Scientific Reports编委、国际电化学能源科学院(IAOEES)青年理事、中国颗粒学会青年理事、全国石油和化工行业重质油碳质化高附加值利用重点实验室学术委员等学术兼职。