【摘 要】
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锂金属电池（LMB）因其具有优异的负极理论容量和电池能量密度,被认为是下一代储能器件的有力候选者。然而,LMB仍存在一些问题,阻碍了它的实际应用。例如,锂负极不稳定的固态电解质界面膜（SEI）的形成,锂枝晶的不可控生长和负极巨大的体积变化等;正极（如富镍三元正极材料NCM622）各向异性的内部应力和表面副反应的发生等,导致LMB具有不良的界面稳定性。为了解决LMB电池存在的诸多问题,提升电池的界面
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锂金属电池（LMB）因其具有优异的负极理论容量和电池能量密度,被认为是下一代储能器件的有力候选者。然而,LMB仍存在一些问题,阻碍了它的实际应用。例如,锂负极不稳定的固态电解质界面膜（SEI）的形成,锂枝晶的不可控生长和负极巨大的体积变化等;正极（如富镍三元正极材料NCM622）各向异性的内部应力和表面副反应的发生等,导致LMB具有不良的界面稳定性。为了解决LMB电池存在的诸多问题,提升电池的界面稳定性,实现LMB的商业应用,本论文开展了如下工作:（一）高弹性聚合物作为稳定的人工SEI膜提升金属锂负极的循环寿命金属锂与有机电解液会自发反应,形成一层不稳定的、刚性的、易碎的SEI膜,这层SEI膜不能适应金属锂巨大的体积变化,且不能有效抑制锂枝晶的生长,导致锂负极具有有限的循环寿命。本工作通过在锂负极表面修饰一层高弹性聚合物,借助其动态滑移的特点,适应锂负极表面的形貌变化,提升负极的界面稳定性,从而提升电池的电化学性能。将线性的聚乙二醇（PEG）穿过α-环糊精（α-CD）环状分子,在其两端连接大体积的封端基团,形成具有稳定机械互锁结构的聚轮烷（PR）,然后将其与聚丙烯酸（PAA）交联,制备得到具有独特“滑轮”式结构的聚轮烷交联聚丙烯酸（PR-PAA）。当PR-PAA作为锂负极高弹性自适应SEI膜时,α-CD在外力的刺激响应下,可以通过动态滑移分散聚合物网络中的应力,有效抑制锂枝晶穿刺,提高锂负极的安全性。同时,高弹性的PR-PAA网络能更好的适应锂负极在充放电过程中的大体积变化,避免自身在长循环中与锂负极发生分层或脱离。由此制备的PR-PAA@Li复合负极,在对称电池中可以稳定循环超过1000 h,并表现出25m V的低极化电压。基于此负极和Li Fe PO4（LFP）正极组装的全电池,表现出高的容量保持率（500圈循环后容量保持率为82.95%）和优异的倍率性能。此外,PR-PAA@Li复合负极还能与多种正极材料匹配组装为全电池,均表现出明显改善的循环性能,证明了该策略的普适性。（二）高弹性聚合物作为包覆层提升富镍三元正极材料的界面稳定性除了锂负极之外,实现高能量密度LMB的商业化应用还需要开发高稳定性的正极材料。NCM622因其较高的理论比容量和大规模生产的潜力,得到了广泛的关注。然而,NCM622在循环过程中容易发生颗粒破碎、层状结构有序性降低和阳离子混排程度增加等问题,表现出较差的界面稳定性。针对这一问题,本工作在NCM622表面构建了一层PR-PAA纳米包覆层。一方面,PR-PAA能填充在NCM622一次颗粒的空隙之间,缓解充放电过程中材料体积变化产生的各向异性应力,避免NCM622的破裂、粉化和脱落。另一方面,PR-PAA作为NCM622的表面包覆层,可以减小正极材料与有机电解液的直接接触面积,抑制界面副反应的发生,提高材料的结构稳定性。PR-PAA还可以利用可自由滑动的α-CD,分散聚合物网络中不平衡的应力,使包覆层更好的适应NCM622在充放电过程中的大体积变化。得益于上述优点,由此制备的PR-PAA@NCM622复合正极组装为全电池后,在1 C下循环300圈仍具有70.05%的容量保持率。此外,PR-PAA包覆层还可以作为软接触层,改善正极与固态电解质之间差的固-固界面接触,提升固态电池（SSB）的循环性能。该工作为LMB的实际应用和SSB的进一步研发提供了新的思路。
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