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  不可再生能源的持續利用不僅導致了環境問題甚至引發能源危機。可充電儲能裝置的發展是間歇性清潔能源（包括風能、太陽能和潮汐能）實際應用的重要保障。鋰在金屬負極中具有最低的電化學電位和較高的比容量（3860 mAh?g^?1），鋰電池（LBBs）成為研究熱點。近年來，LBBs實現產業化應用，在電子產品和電動汽車領域成為主要的儲能器件，其中聚合物材料的關鍵作用不容忽視。王輝教授等人從聚合物作為隔膜修飾劑、固態電解質、粘結劑和阻燃劑等角度，總結了使用這類材料提高LBBs的安全性和穩定性的最新研究進展。

圖1.（a）聚合物在LBBs中的應用及（b）近幾年相關科研成果發表情況（數據來自Web of Science，關鍵字為polymer lithium battery，截止2021.11）。

  硅負極材料的理論比容量為4200 mAh?g^?1是未來儲能應用的首選之一。然而，硅基材料在電化學過程中體積膨脹較大，穩定性差。長鏈聚合物，特別是導電聚合物，由于其高粘附能力和優良的電子傳導能力，作為粘結劑表現出優異的性能。據報道，設計合成高導電性共聚物作為硅陽極的粘結劑，可以提高電池的電荷轉移能力。由于聚合物粘結劑與硅顆粒在分子水平上的緊密接觸，獲得了優異的倍率性能和循環穩定性。如圖2所示，網狀結構的主體由交聯的共價鍵和鏈側豐富的氫鍵組成。在此，粘結劑工作機理可比喻為能夠承受反復拉伸和收縮的彈簧拉力器，高穩定性主要歸功于其特殊的軟結構和自愈能力。

  對于鋰硫電池(LSB)，硫的理論比容量為1675 mAh?g^?1、價格低廉，具有應用前景。然而，LSB所面臨的挑戰可以描述為：i)硫的導電性差；ii)多硫化物的穿梭效應；iii)循環過程中的體積變化，聚合物用作粘結劑、固硫基體和固態電解質在該領域發揮了重要作用。導電網絡作為LSB的粘結劑，不僅可以改善電子傳導，而且在循環過程中能夠吸收多硫化物。聚合物還可以作為鋰硫電池正極固硫基質材料、隔膜修飾劑來抑制多硫化物溶出，從而提升電池性能。如圖3所示，聚吡咯單體通過FeCl₃的氧化作用聚合在Celgard隔膜上，形成了聚吡咯功能層，使得隔膜具有較高的機械耐久性；由于聚吡咯的高親鋰性，實現了均勻的金屬鋰電鍍和剝離，明顯提升循環穩定性。此外，PPy涂層還實現了固載可溶聚硫化物的化學效應，使正極具有較高的穩定性。

  鋰枝晶問題縮短了電池壽命，并存在安全隱患，嚴重阻礙了鋰金屬電池的發展。本文對聚合物材料作為人工SEI膜和固態電解質的枝晶抑制效果和機理進行了闡述。研究表明，人工SEI膜可作為鋰離子的保護層，實現可控沉積。由于聚合物具有長鏈、化學可控性和多孔性，所以涂覆在Li表面可達到負極保護效果。研究者報道了具有不同交聯度的粘彈性聚硼硅氧烷、聚二氧硅烷作為彈性人工SEI膜，獲得了穩定的界面，實現可控的鋰溶解/沉積行為。此外，高離子電導率聚合物固態電解質也多次被報道，獲得了優良的充放電動力學過程。Zuckermann等人通過控制聚環氧乙烷(PEO)的長度、側鏈和微觀結構來研究結構與電性能的關系。從安全角度出發，聚合物作為LBBs阻燃元件被應用，并取得一定成效。

  本文討論了近年來先進聚合物結構化學組成和分子結構設計及其在電池中應用相關研究進展，并提出見解：i)對于粘結劑來說，高度的柔韌性、粘結性和可塑性是重要指標。使用具有結構穩定性的粘合劑，特別是導電粘合劑，可解決循環過程中體積膨脹的問題。導電粘合劑在充放電過程中不僅可以作為連接體保持電化學活性，而且還能作為電子轉移載流子的優異性能。ii)得益于高安全性，固態電解質具有良好發展前景。傳統LIBs的安全問題通常與液體電解質的可燃性和枝晶生長有關，這可能會導致短路。固態電解質可用于設計高度安全的能源存儲設備，因為它們是不易燃的，并抑制枝晶生長。聚合物基電解質主要由PVDF和PEO基板組成，在基礎研究和實際應用方面具有巨大的潛力。對于大規模和商業應用，成本、室溫離子電導率、機械強度、聚合物與鋰陽極的兼容性以及液體電解質的吸收能力都是固態電解質設計的關鍵。通過開發不同類型的功能性聚合物電解質，固體電解質的大規模應用有望成為現實。綜上，該工作總結了聚合物在與鋰電相關領域基礎研究和大規模應用中發揮的重要作用。為了實現聚合物在儲能領域的應用，必須克服一些挑戰，如制造工藝、價格和環境適應性等。基于聚合物材料在循環過程中出色表現，將會帶來儲能器件發展的重大革新。文章以“Polymers for Long-Cycle and Highly Safe Lithium-Based Batteries”為題，發表在國際知名期刊Macromolecular Materials and Engineering。青島科技大學王輝教授為通訊作者。值得一提的是青島科技大學本科生陳函楚為第二作者，系統總結并撰寫了鋰離子電池中的粘結劑工作機理部分。該工作得到了山東京博集團、山東省“泰山學者”計劃、中央引導地方科技發展專項資金、山東省自然科學基金和國家自然科學基金的資助支持。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/mame.202100923