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在推动能源绿色转型的过程中，储能锂电池占据着重要地位。其中，固态电解质界面膜（Solid Electrolyte Interphase, SEI）在保障高能量密度锂电池的稳定循环中发挥着关键作用。然而，成分以无机盐为主的 SEI，不仅稳定性较差，还无法抑制界面处的副反应，极易造成电池容量的迅速衰减。 因为 SEI 由电解液分解产生，所以优化电解液被认为是提升 SEI 稳定性的主要方法。然而，SEI 的形成涉及到一系列复杂界面电化学反应，其结构和性质难以精确控制。因此，精确设计稳定 SEI 结构，是下一代高能量密度锂电池研究的重大难题。 复旦大学高分子科学系青年研究员提出了一种“有机化”SEI 的策略，能够从分子水平对 SEI 进行合理设计，推动了相关领域对电池界面结构的认识和调控。 其通过将有机化学与能源研究相结合，为下一代储能电池研究提供了新思路。凭借上述开创性的成果，成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。 图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者高悦
有机分子精确调控 SEI，为实现高效储能电池带来新方案高分子固态电解质膜（SEI）设计，是在博士阶段主要聚焦的课题。其希望能够推动锂金属负极界面稳定，避免电解液在循环中的消耗。也就是说，通过设计固态电池的界面，实现锂金属负极和固态电解质的化学稳定，并通过设计硅负极 SEI 分子，让 SEI 自修复持续保护硅负极，从而保障电池的稳定循环。 对于有机材料来说，其能够提供传统意义上无机材料和工程技术所不具备的性质和特点，比如结构的可设计性,官能团的多样性，优异的机械性能等。根据上述特性，对有机材料调控电池的电化学过程进行了设计，解决了储能器件中的核心挑战和痛点问题。 他的研究致力于解决下一代储能电池的稳定性和安全性问题，并积极发展针对机器人和其他智能设备的变革性能源转化于存储体系。这个研究目标和所面临的挑战是世界性的，对于人类社会的持续发展具有重要意义。 2019 年，在 NatureMaterials上发表了一篇题为《聚合物-无机固体-电解质中间相用于贫电解质条件下的稳定锂金属电池》（Polymer–inorganic solid–electrolyte interphase for stable lithium metal batteries under lean electrolyte conditions）的论文，正式将有机分子引入 SEI 界面的调控[1]。该论文并被列为 ESI 热点论文，迄今阅读量超 3 万次，为锂金属电池技术的发展提供了有效可行的思路。 固体电解质间相能够稳定可充电电池的锂金属阳极，但 SEI 在循环过程中会不断重组并消耗电解质。因此，要想合理设计一个稳定的 SEI，需要解决其结构和稳定性方面的问题。在这项研究中，团队提出了一种使用活性聚合物复合材料的分子级 SEI 设计，能够有效地抑制 SEI 形成和维持过程中的电解液消耗。 他们通过低温透射电子显微镜、原子力显微镜等结果证明，SEI 层由聚合物锂盐、氟化锂纳米颗粒和氧化石墨烯片组成。在贫电解质、有限的锂过剩和高容量条件下，使用聚合物-无机 SEI 可以实现高效的锂沉积，并保持电压为 4V 的锂金属电池的稳定循环。此外，同样的方法也被证明可以用于设计钠和锌阳极的稳定 SEI 层。 图 | 使用高分子前驱体而非电解质设计聚合物-无机复合 SEI（来源：Nature Materials） 可充电的锂电池在低温下的稳定运行对寒冷气候的应用非常重要，但却受到了锂枝晶和不稳定的 SEI 层的困扰。对此，开发了满足低温和高电压充电条件的高性能金属锂电池。2020 年，相关论文以《通过电化学活性单层调节界面实现低温和高倍率充电的锂金属电池》（Low-temperature and high-rate-charging lithium metal batteries enabled by an electrochemically active monolayer-regulated interface）为题发表在 Nature Energy上[2]。 这里金属锂电池拥有高性能的关键在于，铜集流体上的自组装单层电化学活性分子，可以调节 SEI 的纳米结构和组成以及锂金属阳极的沉积形态。与传统的 SEI 不同，富含氟化锂内相和无定形外层的多层 SEI 有效地封住了锂的表面，因此，电化学锂腐蚀和自放电被抑制，稳定的锂沉积在 -60°C 到 45°C 之间实现。并且，容量为 2.0 mAh cm -2 的 Li | LiCoO₂ 电池在 -15°C 的条件下可以稳定循环 200 次，充电时间为 45 分钟。 图 | SEI 在未修饰铜基底和有机物修饰的铜基底上的形成（来源：Nature Energy）
此外，在对硅负极的相关研究中，基于聚环氧乙烷的 SEI 不会从硅颗粒表面脱落，能够大幅提升电池性能。在低温锂金属电池领域，通过有机-无机复合 SEI 能够有效抑制锂枝晶生长、电解液消耗和锂金属的电解腐蚀现象。基于此，率先在国际上实现了锂金属电池在低温（-15°C）和高倍率充电条件下的稳定循环。 多学科背景催生交叉科学研究，将为智能机器人打造独特电池体系据介绍，本科毕业于兰州大学化学系，后在宾夕法尼亚州立大学获得博士学位。 谈及成长经历，他表示：“我来自一个普通公务员家庭，父母鼓励我依照兴趣发展，做让自己快乐的事情，所以我选择了自己喜欢的化学专业。在不同求学与科研生涯阶段，我始终对于设计有机功能材料解决能源和医疗领域的挑战充满兴趣。” 凭借有机合成背景，在博士阶段意识到有机材料是储能电池中的核心组分之一，然而，关于有机材料优化和设计的研究以及相关研究人员却很少。 因此，将自己的研究方向从化学生物学转变到能源化学和工程技术。得益于学科交叉，他提出了基于有机材料的电池界面设计方法，提出了新的有机界面调控策略，针对循环稳定性和安全性差的问题，为解决下一代储能电池提供了独特的解决思路和办法。 关于储能锂电池，他致力于设计新型电池体系和技术，包括将电池的能量密度提升 2-3 倍，将电池充电时间从数小时降低至几分钟，并为机器人和特种应用设计特殊电池体系，解决其技术发展受制于电池的现状等。高能量密度电池和变革性能量存储转化体系，对于解决世界范围内的能源难题并推动变革性技术和器件的发展来说是至关重要的。 目前，作为课题组负责人在复旦大学工作。他的课题组正在发展基于有机和高分子材料的变革性技术，推动能量存储与转换和智能机器人体系技术的进步，并探索功能材料背后的机理和构效关系，同时推进技术向实用的转化。组内的研究工作涉及多学科领域的交叉，包括高分子科学，有机化学，电化学，材料科学，工程技术等。 “我希望和我的团队一起研究出可实际应用的技术和产品，进一步推动高性能储能电池的发展，并提出新型的适用于例如智能机器人和电动飞机的储能体系。”最后表示。 [1] Gao etal. Polymer-inorganic solid-electrolyte interphase for stable lithium metal batteries under lean electrolyteconditions. Nature Materials. 2019, 18(4), 384. [2] Gao etal. Low-temperature and high-rate-charging lithium metal batteries enabled by a fluorine-donating anode host with lithiophilic surface.Nature Energy2020, 5(7), 534. #In Science We Trust#
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