液态电解质锂离子电池（左）与团队研发的阴离子网络固态电解质电池（右）图解

(资料图片仅供参考)

(原新闻稿已于3月6日发布)

应对气候变化和对清洁能源的需求，加上不断增长的电动汽车和电网储能系统，有迫切需要研发更先进的电池技术，新一代的电池需具备高安全水平和容量大的特点。

阴离子硼酸盐网状聚合物及交联剂示意图

锂离子电池数十年来一直是最先进的电化学储能技术，但存在安全，寿命有限以及功率密度不足等问题。主流的商用电池技术主要以碳基作为阳极，采用液态电解质。商用电解质由锂盐构成双离子导体，其中锂阳离子和对阴离子在电解质中以反方向移动传导。在这液态导电体系中，阴离子的移动速度是阳离子的至少四倍，因此锂阳离子传导的电流仅占总离子电流的百分之二十。而由于阴离子不能与碳基电极发生反应，大量阴离子会堆积在电极和电解质的界面，造成电池内部极化，使用寿命有限，以及可燃性和低离子传导的缺陷。

离子传导性质 a) ANP-BEGs的随温度变化的离子电导率，插图为活化能 b) 28 °C下离子电导率和链段运动的关系

基于液态电解质的局限，研究人员开始转移至固态电解质的研究，期望开发安全性高、锂金阳极兼容能量容量更大的新一代锂电池。利用锂金属作电池阳极，理论上能产生最高的能量容量，但其应用在液态电解质则具有相当的不稳定性。

研究团队成员。申东明博士（左一）和高婧宜（左五）。

由香港大学（港大）机械工程系申东明博士领导的研究团队为新电池技术提出可行方案，团队研发的一系列阴离子网络固态电解质，可提高充电电池的安全水平，让电池有更高功率密度和更长循环寿命。

研究结果已在《化学工程期刊》（Chemical Engineering Journal）发表，文章标题为「可用于锂金属电池的硼酸盐网状聚合物无溶剂单离子电解质的制备」。

过去研究证实，固态电解质在新一代电池技术中拥有很大的发展前景，因其可以在电池中实现无浓度梯度和快速充电、放电的特点，令电池更安全及有更大功率容量。然而，固态电解质在室温下较低的离子电导率，局限了搭配固态电解质的锂电池实现大规模商业化生产的可行性。

申博士研究团队设计的单离子导电聚合物固态电池，能有效提高其阳离子电导率（至少四倍）。团队设计了一种阴离子网状聚合物，能把通过的阴离子捆绑缠绕在其中，透过调控离子选择性电解质的链段运动能力，让阳离子更快地通过。

阴离子网状聚合物的结构，由带有支链的聚乙二醇桥接硼根阴离子组成，通过使用不同的聚乙二醇和反应配比，从而调控所得聚合物的链段移动能力。团队崭新的设计，为研究互穿网络聚合物中的离子传导性能提供新思路，有助于制备新一类高电导率电解质的设计规则。

然而，要成功使单离子导电聚合物电解质，仍要克服现有固态电解质的种种困难，包括可循环性低及过电位太高等，预期一套针对选择性电解质的设计规则，将可促成及实现新一代可充电固态锂金属电池的研发。

「我们相信，单离子导电聚合物的应用会为新电池技术开辟可能性，这将掀起一场在可充电电池领域的技术革命，使可充电电池更安全，拥有更高功率密度和更长循环寿命。」由申博士指导的博士生，论文的第一作者高婧宜说。

「把离子选择性电解质应用在锂电池，可以实现快速充电，将来把一辆电动汽车重新充满电，可能只需喝一杯咖啡的时间，这势将开启清洁能源的新时代。」申博士补充说。

刊登于《化学工程期刊》的文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138407

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