【研究背景】
随着便携设备、电动汽车和大规模电网对高能量密度、快速充电电池的需求增长，传统液态电解质因易燃性和高压下的副反应（如界面副反应、气体析出、过渡金属溶解等）受到限制。离子聚合物电解质（IPEs）兼具安全性和界面适应性，但其实现多目标优化（如离子电导率、电化学窗口、循环稳定性）需要在高维化学空间中探索，传统试错法效率低、成本高。本文引入基于内核的贝叶斯优化方法，以多目标优化为核心，仅探索2.8%的化学空间即可在三次迭代中鉴别出最具前景的IPEs，实现对重要性能的综合考量。此研究展示了高效处理多目标优化的创新方法，为锂电池材料的开发与优化提供了关键见解。
【工作介绍】
近日，
复旦大学高分子科学系与聚合物分子工程实验室的
汪莹课题组
分析了当前离子聚合物电解质在高压和快速充电电池中所面临的多目标优化（离子电导率、电化学稳定性和循环寿命）挑战
。通过创新的贝叶斯优化技术，着重探索了仅2.8%的化学空间，筛选出具有潜力的IPEs。这些电池在极高截止电压下表现出优异的循环性能，如NCM811（4.8 V）和LNMO（4.92 V），为锂电池材料的开发和优化提供了新的洞见。
该工作发表在国际顶级期刊
Advanced Materials
上。
宋媛媛
、
居嘉哲
为本文的共同第一作者。
【内容表述】
多目标贝叶斯优化用于高压快充锂金属电池中离子聚合物电解质的筛选
在锂电池材料探索中，高效识别最优离子聚合物电解质（IPEs）配方是一个关键挑战。我们采用结合核函数高斯过程（GP）与多种采集函数的方法（包括预期改进EI、改进概率PI、上置信界UCB和Thompson采样），在仅探索2.8%的化学空间后，快速锁定了最优的TFSI基IPEs配方。这种多目标优化方法显著降低了实验成本。
IPEs的制备包括两步流程：即先形成前驱离子聚合物复合物（IPC），然后进行离子交换得到离子聚合物电解质（IPE），如图1a所示。设计了一个由四个参数（PBDT浓度、IL类型、锂盐混合物类型和锂盐比例）构成的化学空间，总计504种IPEs配方，如图1b所示。通过多目标贝叶斯优化（MOBO）的闭环主动学习工作流程，优化了离子电导率、电化学稳定窗口及循环性能，最终确定了最优配方，如图1d所示。这一配方在高压和快速充电条件下表现出优异性能，验证了MOBO的有效性和灵活性。
图1 通过闭环和多目标主动学习对离子聚合物电解质（IPE）进行开发和优化
IPEs多目标优化实现高压锂金属电池性能突破
通过MOBO流程筛选出的IPE(TFSI)实现了多目标协同优化。其离子电导率为3.61 mS cm⁻¹、电化学窗口高达5.6 V，并展现出优异的循环稳定性（100次循环后容量保持率>80%）。在与NCM811正极材料结合使用时，IPE(TFSI)的截止电压达到4.8 V，如图2a所示，低倍率（1 C）常温下，800次循环后容量保持率仍高达80%，高倍率（3 C）常温下，在200次循环后能保有超过80%的容量。而在与LNMO正极材料结合时，截止电压高达4.92 V，如图2b所示。这些表现突显了IPE(TFSI)作为高压快速充电锂金属电池电解质的巨大潜力，如图2g所示。
图2 筛选出的IPE在搭配NCM811和LNMO的高压快充锂金属电池中的电化学性能
IPEs中离子与水分子间的溶剂化结构
基于闭环MOBO流程和实验验证，IPE(TFSI)在锂金属电池中表现出优异的离子电导率（3.61 mS/cm）和宽广的电化学窗口（5.6 V）。为适应大规模储能应用并降低与无水操作环境相关的高成本，进一步拓展了IPE(TFSI)在水系锂离子电池（ALIBs）中的应用。通常，水系电解质由于增强的锂离子离解能力和较低的体积粘度，表现出更高的电导率。然而，增加的水含量限制了电化学稳定性，这是因为水的稳定窗口有限（1.23 V）。为克服电导率与电化学窗口之间的权衡难题，并减小隔绝环境操作带来的挑战，研究团队通过暴露于空气，将水分子引入IPE(TFSI)，从而形成了“离子海洋”概念，如图3a所示。在这一概念中，水分子调控微观环境，使大量离子能够自由移动，并由聚阴离子刚性棒状聚合物充当支架。结果表明，water-IPE(TFSI)电解质膜显著改善了传统水性电解质系统的液-固转变，并表现出高弹性模量（>100 MPa），如图3b所示。此外，分子动力学模拟（MDS）揭示了水分子在溶剂化结构中的重要性，显示出其对锂离子配位环境的影响，从而支持加速的锂离子交换动力学以及更高的离子导电率和扩散系数，如图3i所示。这为开发高性能与多功能锂电池提供了一条创新路径。
图3 通过计算模拟研究IPEs和water-IPEs中的配位数、溶剂化结构和离子传输
基于water-IPEs的高压水系锂离子电池的电化学性能
在IPEs中引入水分子，通过形成刚性聚电解质骨架与水的强氢键网络，不仅有效抑制了水的反应性（如HER/OER），还将水系电解质的电化学窗口显著拓宽至5.1 V （图4a），并提升电导率至8.9 mS/cm。在Li
4
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5
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