近期，大連理工大學(xué)材料學(xué)院胡方圓教授團(tuán)隊(duì)在低溫準(zhǔn)固態(tài)鋰硫電池研究方面取得新進(jìn)展。該研究針對鋰硫電池低溫下離子傳輸通道受阻與界面脫溶劑化能壘倍增的問題，基于動態(tài)溶劑化調(diào)控策略，設(shè)計(jì)了一種動態(tài)遷移-拖曳聚合物電解質(zhì)，通過硼酸酯動態(tài)共價(jià)鍵和極性側(cè)鏈設(shè)計(jì)，動態(tài)重構(gòu)鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)以降低脫溶劑化能壘，加速多硫化物轉(zhuǎn)化動力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了鋰硫電池在低溫下的高容量穩(wěn)定循環(huán)。研究成果以“基于動態(tài)遷移-拖曳策略設(shè)計(jì)聚合物電解質(zhì)用于低溫鋰硫電池”（Dynamic Migration-Pulling Polymer Electrolyte Design Strategy for Low-Temperature Lithium–Sulfur Batteries）為題，發(fā)表在國際化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上。

圖1.含有動態(tài)側(cè)鏈的凝膠聚合物電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖

凝膠聚合物電解質(zhì)因其高安全性、良好的界面相容性和抑制多硫化物穿梭的潛力，被視為解決低溫鋰硫電池性能衰減問題的理想材料體系，對推動極地勘探、高空無人機(jī)等極端環(huán)境儲能應(yīng)用具有重大戰(zhàn)略價(jià)值。然而，傳統(tǒng)凝膠聚合物電解質(zhì)在低溫下普遍存在離子電導(dǎo)率驟降與界面離子傳輸動力學(xué)遲滯的雙重挑戰(zhàn)，在鋰離子傳輸過程中，鋰離子往往受限于靜態(tài)的溶劑化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)—強(qiáng)極性的配位基團(tuán)雖然有利于鋰鹽解離，卻導(dǎo)致鋰離子脫溶劑化能壘居高不下，阻礙了電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)。且鋰離子傳輸機(jī)制在低溫界面處的動態(tài)演變規(guī)律尚不明確，導(dǎo)致電池實(shí)際低溫性能遠(yuǎn)低于理論預(yù)期。現(xiàn)有動態(tài)聚合物電解質(zhì)雖通過可逆化學(xué)鍵（如基于氫鍵或硼酸酯）實(shí)現(xiàn)自修復(fù)功能，卻難以精準(zhǔn)調(diào)控鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)以協(xié)同優(yōu)化多硫化物錨定-轉(zhuǎn)化-沉積多步動力學(xué)反應(yīng)。針對這一難題，本研究創(chuàng)新性提出“動態(tài)遷移-拖曳”策略，通過分子設(shè)計(jì)構(gòu)建具有動態(tài)自適應(yīng)能力的聚合物網(wǎng)絡(luò)（圖1），首次揭示了聚合物鏈段側(cè)基對鋰離子的定向“拖曳”效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)了多硫化物高效轉(zhuǎn)化與鋰離子快速脫溶的協(xié)同強(qiáng)化。為高比能準(zhǔn)固態(tài)鋰硫電池的低溫性能突破提供了新思路。

為精準(zhǔn)量化“動態(tài)遷移-拖曳”策略對界面離子傳輸動力學(xué)的調(diào)控效能，本研究以界面離子脫溶活化能（離子傳輸?shù)暮诵恼系K）作為關(guān)鍵性能指標(biāo)，通過原位電化學(xué)阻抗譜（EIS）、Arrhenius方程解析以及理論計(jì)算，證實(shí)動態(tài)凝膠聚合物電解質(zhì)的鋰離子脫溶活化能較傳統(tǒng)電解質(zhì)降低66%，可同步實(shí)現(xiàn)鋰均勻沉積與界面阻抗最小化（圖2）。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，基于該策略制備的凝膠電解質(zhì)在0°C下仍保持高于1 mS cm-1的離子電導(dǎo)率，顯著提升鋰硫電池的低溫循環(huán)穩(wěn)定性與倍率性能，為開發(fā)極端環(huán)境高比能儲能器件提供了全新理論框架與材料設(shè)計(jì)范式。

圖2.原位電化學(xué)阻抗譜、低溫電化學(xué)性能以及鋰離子脫溶示意圖

該論文的第一作者是材料學(xué)院博士生宋文凱，通訊作者為材料學(xué)院胡方圓教授，該研究得到了教育部中央高校青年教師科研創(chuàng)新能力支持項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目、中國石油科技創(chuàng)新基金、大連市科技項(xiàng)目、大連理工大學(xué)星海人才培育計(jì)劃項(xiàng)目的資助支持。