西安交大科研人员在智能电池材料领域取得新进展

新型能源技术的有效开发和大规模应用将给全球能源格局带来革命性的调整。基于硅碳/锂金属负极的二次电池能量密度远高于传统锂离子电池，被认为是下一代革命性的电池技术。然而，该类电池体系在循环过程中内部结构易发生变化，造成容量快速衰减和使用寿命的缩短。在复杂应用环境（温度变化、外界应力等）下，这一现象尤为明显。开发出具有自适应能力的智能电池材料是解决这一问题的关键。

针对上述问题，材料学院宋江选教授团队从电池材料设计出发，基于动态可逆化学键和弱相互作用开发了一系列具有自适应能力的电池材料用于提升电池的结构稳定性和环境适应性，显著提升了电池在苛刻条件下的使用寿命，为新一代自适应智能高比能锂电池的发展提供了新思路。

课题组基于原位化学键合策略发展了一种兼具温度和应力自适应能力的智能固态电解质用于高比能锂金属固态电池。作者将具有自修复功能的聚氨基甲酸酯原位接枝到Li7P3S11固态电解质颗粒表面，借助聚氨基甲酸酯中的动态-S-S-键和氢键的协同作用在室温无外场条件下实现复合电解质的快速自修复（180s内修复效率接近100%），有效地解决了传统复合固态电解质内界面异质结构相容性差和共混结构界面结合力不佳的技术难题。所构建的全固态电池在交变温度和应力破坏条件下可实现快速自修复（修复效率>95%）。相关研究成果以《温度/应力自适应固态电解质在长寿命固态锂金属电池中的应用》（Temperature and Stress-resistant Solid State Electrolyte for Stable Lithium-Metal Batteries）为题发表在国际知名期刊《储能材料》(Energy Storage Materials,影响因子17.79)上。本文第一作者为材料学院博士生雷文雅。

温度/应力自适应固态电解质作用机理示意图

此外，课题组针对锂离子电池新一代高比容硅碳负极开发了一种界面适应型粘合剂解决因其大体积形变导致的容量快速衰减难题。所开发的三嵌段聚合物粘合剂PSEA由疏水的聚苯乙烯嵌段（S）、弹性的聚(2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯（E）嵌段和亲水的刚性聚丙烯酸嵌段组成。与传统的硅基负极粘合剂不同，新型界面适应型粘合剂能够通过π∙∙∙π堆叠和氢键相互作用与C层和Si层结合，有效地促进界面粘附以及电极各组分在浆料中的均匀分散，进而维持电极组颗粒间的连接和电极的完整性。此外，粘合剂中柔性的聚醚侧链及其丰富的配位位点还可以促进聚合物链中锂盐的解离，加速Li+传输。得益于此，即使高面容量下，所制备的硅碳负极仍表现出优异的电化学循环性能。相关工作以《基于超分子相互作用的界面自适应粘合剂在锂离子电池高比容硅碳负极中的应用》(Interface-Adaptive Binder Enabled by Supramolecular Interactions for High-Capacity Si/C Composite Anodes in Lithium-Ion Batteries)为题发表在国际知名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上，材料学院博士生虎琳琳为本文第一作者。该成果是团队继梯度应力耗散型粘合剂（Advanced Materials, 2021, 33, 2104416）、自修复和应力耗散双功能聚合物粘合剂（Advanced Functional Materials, 2020, 31, 2005699）之后的又一重要进展。

界面自适应型粘合剂作用机理示意图

上述成果均以西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一单位，通讯作者为西安交通大学材料学院宋江选教授，论文合作者包括材料学院Goran Ungar教授、杨书桂助理教授等。论文表征及测试得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院分析测试中心的支持。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金和西安交通大学青年拔尖人才计划等的资助。（来源：西安交大）