鋰硫（Li-S）電池被認(rèn)為是下一代鋰電池的有希望的候選者，但其商業(yè)化仍受多硫化物穿梭和鋰枝晶生長(zhǎng)問題的影響。電解液中的離子電動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)于緩解Li-S電池中的多硫化物穿梭和枝晶生長(zhǎng)具有重要意義。

在此，中南大學(xué)韋偉峰教授等人受離子交換膜可調(diào)溶質(zhì)-聚合物相互作用的啟發(fā)，通過原位凝膠化在電解質(zhì)中植入由甲基丙烯酸異氰基乙酯接枝聚乙烯亞胺（PEI-IEM）構(gòu)成的離子選擇性“皮膚”。受益于該設(shè)計(jì)皮膚中的超支化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和豐富的極性基團(tuán)（-N-H-/-C=O-），基于PEI-IEM的凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）實(shí)現(xiàn)了合理的多硫化物和鋰離子調(diào)節(jié)并提高了安全性：

（1）多重具有電負(fù)性的親和位點(diǎn)提供了雙Li-N和Li-O相互作用來錨定多硫化物，從而強(qiáng)烈抑制穿梭效應(yīng)；

（2）離子自濃縮動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致Li⁺的局部濃度高于本體溶液中的濃度，從而在鋰負(fù)極上產(chǎn)生高效的鋰離子傳導(dǎo)和無枝晶的鋰沉積物；

（3）高度交聯(lián)的聚合物骨架可防止液體電解質(zhì)（LE）的泄漏和易燃性。

圖1. 基于PEI-IEM的GPE的合成、結(jié)構(gòu)和表征

電化學(xué)測(cè)試表明，基于PEI-IEM基GPE的Li-Cu電池顯示出穩(wěn)定的循環(huán)性能，在高達(dá)700次循環(huán)后保持穩(wěn)定的99.13% 的庫侖效率（CE），而具有LE的電池在275次循環(huán)后觀察到CE快速衰減至52.58%。在3.54 mg cm^-2的高S負(fù)載下，具有基于PEI-IEM的GPE的電池在0.1C下循環(huán)100次后仍可獲得 650.6 mAh g^-1的高可逆容量。甚至在60℃、1C條件下，該電池循環(huán)200次后仍保持601.6 mAh g^-1的高可逆容量，對(duì)應(yīng)平均每循環(huán)0.17%的低衰減率。

此外，定制的10 Ah額定容量軟包Li-S電池在低電解質(zhì)/S比（2.6）和負(fù)/正容量比（2.4）條件下也實(shí)現(xiàn)了412.7 Wh kg^-1的高比能量。總之，這項(xiàng)研究為離子選擇性皮膚策略開辟了可能性，以減輕多硫化物穿梭和枝晶生長(zhǎng)同時(shí)促進(jìn)高能/安全鋰硫電池的發(fā)展。

圖2. Li-S軟包電池制造和實(shí)際測(cè)試

Implanting an ion-selective “skin” in electrolyte towards high-energy and safe lithium-sulfur battery, Matter 2022. DOI: 10.1016/j.matt.2022.04.017