第一作者：Hantao Xu

通訊作者：麥立強、徐林

通訊單位：武漢理工大學

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通過原位聚合含有氫鍵官能團的單體，可以制備具有優異機械性能、自修復能力和高鋰離子傳輸數的凝膠態聚合物電解質（GPEs）。然而，人們忽視了氫鍵供體中的活性氫原子與鋰金屬電池（LMBs）中的鋰金屬發生置換反應，導致鋰金屬腐蝕的問題。

研究發現，向富含氫鍵的凝膠態電解質中添加氫鍵受體，可以通過形成氫鍵分子間相互作用來調節活性氫原子的化學活性。實驗結果表明，添加的氫鍵受體通過封裝活性氫原子來抑制鋰金屬的界面化學腐蝕，從而增強聚合物結構和界面的化學穩定性。

采用這一策略，1.1 Ah LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/Li金屬軟包電池在100個循環后實現了96.3%的容量保持率。這項新方法為實現原位聚合高度穩定的凝膠態基LMBs提供了一條可行的路徑。

圖文導讀

圖1：展示了富氫鍵的凝膠態聚合物電解質與鋰金屬陽極（LMA）之間的界面反應機制。

通過分子封裝效應，可以顯著抑制活性氫原子與LMA之間的化學腐蝕反應，從而增強電解質的化學穩定性和界面相容性。

圖2：通過1H NMR光譜等技術表征了合成的TUEM單體以及PTUEM-PE的制備過程。

通過改變FEC的濃度，研究了其對PTUEM-PE中氫鍵相互作用的影響，并通過NMR譜圖的變化確定了最佳FEC濃度，同時利用1H–19F HOESY和1H–1H NOESY實驗進一步證實了分子間的氫鍵作用。

圖3：利用分子動力學（MD）和密度泛函理論（DFT）模擬深入探討了PTUEMF-PE中氫鍵分子間相互作用和溶劑化結構。

模擬結果表明，添加FEC后，PTUEM與FEC形成了氫鍵對，有效抑制了PTUEM對鋰金屬的吸附，增強了電解質的化學穩定性。

圖4：通過Li/Li對稱電池的電壓曲線、界面阻抗擬合結果、Cu/Li電池的庫侖效率測試等實驗數據，展示了PTUEMF-PE在電池性能上的優勢。

原位ATR-FTIR和GC實驗進一步證實了分子封裝效應對抑制活性氫原子與LMA之間化學反應的積極作用。XPS和3D TOF-SIMS分析揭示了PTUEMF-PE在形成穩定界面方面的效果。

圖5：PTUEMF-PE在全電池應用中的性能，包括LiFePO₄/Li和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/Li電池的循環性能和倍率性能。

結果表明，PTUEMF-PE能夠顯著提高電池的循環穩定性和容量保持率，證明了其在實際應用中的巨大潛力。

總結展望

本研究設計并原位制備了一種新型的富氫鍵的PTUEMF-PE，并發現通過分子封裝效應可以調節聚合物基質中活性氫原子的化學活性。具體來說，添加的氫鍵受體能夠封裝氫鍵官能團中的活性氫原子，從而抑制了鋰金屬陽極的界面化學腐蝕。

通過這種策略，對稱電池在0.5 mA cm^?2的電流密度下實現了超過1000小時的穩定鍍鋰/剝離。此外，相應的實用型1.1 Ah鋰金屬軟包電池也展示了穩定的循環性能。這項工作展示了通過引入氫鍵受體來制造穩定的凝膠態鋰金屬電池的巨大潛力。

文獻信息

標題：The Role of the Molecular Encapsulation Effect in Stabilizing Hydrogen-Bond-Rich Gel-State Lithium Metal Batteries

期刊：Angewandte Chemie International Edition

DOI：10.1002/anie.202400032