EES：原位聚合1,3-二氧六环作为高相容聚合物电解质实现4.5V锂金属电池

一、【导读】

锂离子电池作为一种高性能电池，已经成为了电动汽车、智能手机、笔记本电脑等电子产品的主要电源。然而，传统的液态电解质在高电压下容易发生氧化分解，导致电池性能下降，同时还存在着燃烧、挥发等安全问题。因此，开发具有更好氧化稳定性和安全性的新型电解质材料成为了当前研究的热点之一。聚合物电解质（PEs）作为一种新型电解质材料，具有高离子导电性、低熔点、低挥发性、可塑性等优点，被广泛应用于锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池等各种电池系统中。其中，原位聚醚基PEs由于其理想的界面接触性和与锂金属的良好相容性，引起了广泛的研究关注。1,3-二氧戊环（DOL）原位聚合作为锂金属电池的PEs近年来展现出巨大的潜力，但其氧化稳定性较差，因此不能匹配高压正极，限制了电池能量密度的提升，因此需要开发具有更好氧化稳定性的新型PEs材料。

二、【成果掠影】

近日，华南师范大学郑奇峰教授团队原位聚合制备的聚（1，3-二氧六环）（P-DOX）电解质展示出优异的氧化稳定性和与锂金属的良好兼容性，为开发优异的PE材料提供了新思路。相关的研究成果以“In-situ polymerization of 1,3-dioxane as highly compatible polymer electrolytes to enable 4.5 V Li-metal batteries”为题发表在Energy & Environmental Science上。

三、【核心创新点】

使用1,3-二氧六环单体进行原位聚合制备P-DOX聚合物电解质，通过增加DOX分子的烷基链长度，可以降低其最高占据分子轨道（HOMO），从而提高其氧化稳定性，并且可以形成富含无机物的固体电解质界面（SEI），从而大大提高锂金属和P-DOX PE之间的界面兼容性。

四、【数据概览】

图1  高压PEs原位制造的设计原理。  ©2023 Royal Society of Chemistry

图2  原位制备的P-DOX PE的理化性质。  ©2023 Royal Society of Chemistry

图3  原位制备的P-DOX PE的高压稳定性。  ©2023 Royal Society of Chemistry

图4 Li金属在原位制造PE中的兼容性。  ©2023 Royal Society of Chemistry

图5 锂电极上SEI的表征。  ©2023 Royal Society of Chemistry

图6 锂金属全电池在4.3 V下的电化学性能。  ©2023 Royal Society of Chemistry

图7 锂金属全电池在4.5 V下的电化学性能。  ©2023 Royal Society of Chemistry

五、【成果启示】

本文中，作者开发了一种具有优异氧化稳定性和与锂金属良好兼容性的新型PE材料。通过将溶剂单体的分子结构从五元环状DOL调节至六元环状DOX，并原位聚合制备了P-DOX电解质。相比于传统的五元环DOL单体，DOX单体具有六元环结构和更长的烷基链，可以降低其HOMO，从而提高其氧化稳定性。此外，DOX单体的长烷基链还可以降低其溶剂化能力，从而提高锂离子的传输数，同时形成富含无机物的SEI，从而大大提高锂金属和P-DOX PE之间的界面兼容性。P-DOX表现出了优异的氧化稳定性（＞4.7 V），高锂离子迁移数（0.75），而且获得了超过1300小时的优异锂沉积/剥离稳定性。此外，作者还通过理论计算和实验验证，深入探究了DOX单体的分子结构对P-DOX PE性能的影响机制。该研究为高能量密度固态电池PE的设计提供了新的思路。

文献链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d3ee02797j

本文由WYH供稿