新威智能 2025.03.18 14:28:28
导读
锂金属电池（LMBs）因其高能量密度被视为下一代储能设备的理想选择。然而，当前电解质体系在锂离子传输和溶剂化化学调控之间难以取得平衡，导致锂枝晶不可控生长和界面副反应，严重阻碍了其实际应用。凝胶聚合物电解质（GPEs）凭借其无泄漏、柔性和可加工性，被认为是解决这些问题的潜在方案。然而，如何通过合理调控溶剂化化学来实现锂金属电池的长期稳定循环，仍然是一个巨大的挑战。
成果简介
近日，武汉理工大学木士春教授团队设计并合成了三种具有不同Li?-溶剂结合强度的凝胶聚合物电解质（GPEs），分别表现出高、中、低的Li+-溶剂结合能力。其中，具有适度Li+-溶剂结合的GPE（MB-GPE）通过引入氟化溶剂（FEC和FEMC），成功实现了弱溶剂化调控与锂离子传输性能的平衡。MB-GPE不仅表现出高达1.95×10-3 S cm-1的离子电导率，还在锂金属负极表面形成了富含LiF的无机固体电解质界面（SEI），显著提升了界面稳定性。基于MB-GPE的锂对称电池在0.5 mA cm-2的电流密度下实现了超过3200小时的稳定循环，且在Li||CM811全电池中表现出优异的循环性能（400次循环后容量保持率为81.0%）。该研究为设计高性能凝胶聚合物电解质提供了新的思路，相关成果以“Moderate Li+-Solvent Binding for Gel Polymer Electrolytes with Stable Cycling toward Lithium Metal Batteries”为题发表在《Energy & Environmental Science》期刊上，第一作者为shaojie Zhang , zhongpeng Li。
核心内容解读
图1. 凝胶聚合物电解质的设计与溶剂化结构研究。a) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的溶剂化结构及SEI演化示意图。b) 锂离子与不同溶剂的结合能。c) 不同电解质中Li+与溶剂和TFSI-的配位数分布。d-f) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Li+径向分布函数（RDF）。
图2. HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的物理化学性能。a) EC、EMC、FEMC、FEC、DFEC和LiTFSI的HOMO和LUMO能级。b) MB-GPE的FT-IR光谱。c) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的拉曼光谱。d) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的7Li NMR光谱。e) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的离子电导率。f) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Arrhenius曲线。g) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的线性扫描伏安（LSV）曲线。h) MB-GPE的电化学浮动分析。i) Li对称电池的计时电流曲线。j) MB-GPE/PP复合隔膜的杨氏模量映射。k) HB-GPE和MB-GPE的燃烧实验。
图3. 锂金属沉积/剥离性能评估及锂沉积形貌表征。a) Li | Li对称电池在0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2下的循环性能。b) 本工作与其他近期报道的GPEs的离子电导率和对称锂电池稳定性对比。c) Li | MB-GPE | Li对称电池的临界电流密度（CCD）测试。d) Li | Cu电池在0.2 mA cm-2和0.2 mAh cm-2下的库仑效率（CE）。e) Li | Cu电池的电压-容量曲线。f-h) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE中锂沉积的形貌。
图4. 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的锂金属电池的电化学性能。(a) 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Li||LFP电池在0.5 C倍率下的循环性能。(b) 使用MB-GPE的Li|MB-GPE|LFP电池在0.5 C倍率下的充放电曲线（截止电压4.0 V）。(c) 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Li||LFP电池在1 C倍率下的循环性能。(d) 使用MB-GPE的Li|MB-GPE|LFP电池在1 C倍率下的充放电曲线（截止电压4.0 V）。(e) 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Li||LFP电池的倍率性能。(f) 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPELi||NCM811电池在0.5 C倍率下的循环性能。(g) 使用MB-GPE的Li|MB-GPE|NCM811电池在0.5 C倍率下的充放电曲线（截止电压4.3 V）。(h) 使用MB-GPE和LB-GPE的Li||NCM811电池的倍率性能。(i) 使用MB-GPE的Li||NCM811软包电池的循环性能。(j)-(l) 使用MB-GPE的Li||NCM811软包电池的安全性测试。
图5. 界面化学分析SEI层。(a)-(c) 使用(a) HB-GPE，(b) LB-GPE和(c) MB-GPE的锂金属负极在0.5 C倍率下循环20圈后的C 1s深度剖析XPS谱图。(d)-(f) 使用(d) HB-GPE，(e) LB-GPE和(f) MB-GPE的锂金属负极在0.5 C倍率下循环20圈后的O 1s深度剖析XPS谱图。(g)-(i) 使用(g) HB-GPE，(h) LB-GPE和(i) MB-GPE的锂金属负极在0.5 C倍率下循环20圈后的F 1s深度剖析XPS谱图。(j)-(k) 使用(j) HB-GPE和(k) MB-GPE的锂金属负极的TOF-SIMS二维和三维分布图。
结论与展望
本研究通过设计具有适度Li+-溶剂结合的氟化凝胶聚合物电解质（MB-GPE），成功实现了锂离子传输与界面稳定性的平衡。MB-GPE不仅表现出高离子电导率和宽电化学窗口，还在锂金属负极表面形成了富含LiF的无机SEI层，显著提升了锂金属电池的循环稳定性和安全性。基于MB-GPE的锂对称电池实现了超过3200小时的稳定循环，且在LiFePO4和NCM811全电池中表现出优异的电化学性能。该研究为开发高性能凝胶聚合物电解质提供了新的设计思路，具有广泛的应用前景。
文章链接
https://doi.org/10.1039/D4EE05866F|