原创 Dreahow 新能源在线 2025年03月12日 08:30 上海

研究背景：高能锂金属电池的“阿喀琉斯之踵”  

锂金属电池（LMBs）因极高的能量密度被视为下一代储能设备，但其商业化面临两大难题：  

1. 锂枝晶失控生长：传统电解液难以形成稳定的固态电解质界面（SEI），易引发短路甚至爆炸。  

2. 离子传输效率与安全性矛盾：弱溶剂化策略虽能优化SEI，却牺牲离子电导率，导致电池性能衰减。  

凝胶聚合物电解质（GPE）因其柔韧性和高安全性备受关注，但如何平衡溶剂化调控与离子传导仍是挑战。

研究内容：调控“锂-溶剂结合力”破局  

武汉理工大学木士春教授团队通过氟化溶剂设计了三类GPE，系统探究了锂离子与溶剂的结合强度对电池性能的影响：      

• HB-GPE（高结合力）：常规溶剂（EC/EMC），离子电导率高但SEI有机成分多，稳定性差。  

• MB-GPE（中结合力）：氟化溶剂（FEC/FEMC），平衡离子传输与SEI无机化。  

• LB-GPE（低结合力）：深度氟化溶剂（DFEC/FEMC），SEI富含LiF但离子电导率骤降。  

关键技术验证：  

• 分子动力学模拟：MB-GPE中Li⁺与溶剂结合适中，促进阴离子参与溶剂化鞘层，形成LiF-rich SEI。  

• 电化学测试：MB-GPE离子电导率达1.95×10^-3 S/cm，Li⁺迁移数0.62，氧化电位提升至5.12 V。  

• 循环表现：Li||Li对称电池在0.5 mA/cm²下稳定循环超3200小时，远超HB-GPE（900小时）和LB-GPE（1367小时）。

研究结论：适度结合力才是“黄金平衡点”  

MB-GPE性能完胜：  

• SEI革命性升级：无机LiF占比提升，有效抑制副反应，锂沉积均匀无枝晶（SEM验证）。      

• 实际电池表现：Li||NCM811电池循环400次容量保持率81%，软包电池弯曲/切割后仍安全运行。  

• 失败案例启示：HB-GPE因SEI不稳定、LB-GPE因离子电导率过低，均无法满足长循环需求。

研究亮点：为固态电池设计指明方向  

1. 理论创新：首次揭示“锂-溶剂结合力”与SEI成分、离子传输的定量关系，提出“中度结合”策略。  

2. 材料突破：氟化溶剂FEC/FEMC组合兼顾抗氧化性（HOMO/LUMO计算）与安全性（阻燃测试通过）。  

3. 应用潜力：高负载正极（9.2 mg/cm²）软包电池稳定循环20圈，容量保持84%，推动高能电池实用化。          

未来展望  

该研究为设计高性能GPE提供了全新视角，后续可拓展至钠/钾金属电池体系。正如作者所言：“调控溶剂化化学，是打开高能电池之门的钥匙。”            

论文来源：https://doi.org/10.1039/D4EE05866F