日本物质与材料研究机构（NIMS）独立研究员玉手亮多、ICYS（青年科学家国际中心）研究员Peng Yueying、JSPS（日本学术振兴会）特别研究员上山祐史（北海道大学研究生院生命科学院博士3年级）和NIMS主干研究员西川庆的研究团队制造出了具有极高力学强度的高分子凝胶电解质。通过将其用于锂金属负极作为保护膜，大幅提高了锂金属电池的循环性能。这一成果将极大地促进锂金属负极的实用化。相关成果已发表在《Advanced Materials》上。
（a）开发的氢键凝胶电解质和常规化学交联型凝胶电解质的拉伸试验。
（b）模型电池的充放电循环：有凝胶电解质人工保护膜（红色）和无保护膜（黑色）时的比较。（供图：NIMS）
锂金属负极虽然具有极高的理论容量和较低的工作电位，但充放电过程中锂的溶解和析出循环往往不充分，存在充放电循环寿命和安全性问题。因此，需要开发可以提高使用锂金属负极的二次电池的充放电循环稳定性的技术。
前述研究团队开发出了一种由高浓度锂盐有机溶剂（有机电解液）和氢键高分子形成的高分子凝胶电解质。这种高分子凝胶电解质的特点是具有极高的力学强度和延展性。
材料开发的关键是优化氢键高分子的化学结构和组成，及凝胶电解质中包含的有机电解液组成的重要性。特别是，在高分子凝胶的研究中，以水为溶剂的水凝胶的研究项目众多，所以溶剂与高分子的相互作用很少受到关注。本次研究表明，不仅是高分子结构，使高分子溶胀的电解液（溶剂分子和离子）的组成对凝胶电解质的力学特性也有很大影响。
例如，即使在使用相同的氢键高分子的情况下，根据锂盐的浓度，力学强度也会有很大差异。推测其原因可能是高浓度的锂盐增加了与锂离子相互作用的溶剂分子的比例，使干扰高分子间氢结合的溶剂分子的比例降低。基于这一概念，研究团队对电解液和高分子结构和组成进行优化后，得到了在目前已知的高分子凝胶电解质中具有破纪录的高力学强度和延展性的高分子凝胶电解质。
研究团队将该高分子凝胶电解质涂在锂金属负极上，形成一层人工保护膜，并研究了其对锂金属电池性能的影响。通过进行使用锂对称电池的锂溶解·析出的长期循环试验，发现保护膜的有无对循环寿命有很大的影响。在没有保护膜的情况下，约在200小时发生电池短路，而导入保护膜后，可以实现超过1000小时的长期循环。用电子显微镜观察循环20次后的带保护膜的锂金属负极表面后发现，循环后锂金属负极仍覆盖有一层光滑的凝胶电解质膜。
研究团队还试制了由高能正极材料之一的NCM622正极和锂金属负极构成的锂金属电池，通过比较有保护膜和无保护膜的情况，发现人工保护膜的导入大幅提高了循环性能。
使用具有高力学强度和延展性的凝胶电解质作为人工保护膜，有望成为新一代锂二次电池充分利用锂金属负极的重要技术。此外，这种凝胶电解质的特点在于有可能应用于柔性电池。然而，这项研究仍处于基础研究阶段，面向实际电池应用还存在许多障碍和探讨事项。另外，还需要优化保护膜的厚度，并检查对其他电解液系统的适用性等。
研究团队希望通过推进这些研究，将此次开发的高分子凝胶电解质用于人工保护膜，实现锂金属电池的社会实际应用，同时，为使用锂金属负极的电池的最佳界面设计制定指南。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Advanced Materials
论文：Extremely Tough, Stretchable Gel Electrolytes with Strong Interpolymer Hydrogen Bonding Prepared Using Concentrated Electrolytes to Stabilize Lithium-Metal Anodes
DOI：10.1002/adma.202211679
