新威智能 2025.03.18 14:28:28
導讀
鋰金屬電池（LMBs）因其高能量密度被視為下一代儲能設備的理想選擇。然而，當前電解質體系在鋰離子傳輸和溶劑化化學調控之間難以取得平衡，導致鋰枝晶不可控生長和界面副反應，嚴重阻礙了其實際應用。凝膠聚合物電解質（GPEs）憑借其無泄漏、柔性和可加工性，被認為是解決這些問題的潛在方案。然而，如何通過合理調控溶劑化化學來實現鋰金屬電池的長期穩定循環，仍然是一個巨大的挑戰。
成果簡介
近日，武漢理工大學木士春教授團隊設計并合成了三種具有不同Li?-溶劑結合強度的凝膠聚合物電解質（GPEs），分別表現出高、中、低的Li?-溶劑結合能力。其中，具有適度Li?-溶劑結合的GPE（MB-GPE）通過引入氟化溶劑（FEC和FEMC），成功實現了弱溶劑化調控與鋰離子傳輸性能的平衡。MB-GPE不僅表現出高達1.95×10?3 S cm?1的離子電導率，還在鋰金屬負極表面形成了富含LiF的無機固體電解質界面（SEI），顯著提升了界面穩定性。基于MB-GPE的鋰對稱電池在0.5 mA cm?2的電流密度下實現了超過3200小時的穩定循環，且在Li||CM811全電池中表現出優異的循環性能（400次循環后容量保持率為81.0%）。該研究為設計高性能凝膠聚合物電解質提供了新的思路，相關成果以“Moderate Li?-Solvent Binding for Gel Polymer Electrolytes with Stable Cycling toward Lithium Metal Batteries”為題發表在《Energy & Environmental Science》期刊上，第一作者為shaojie Zhang , zhongpeng Li。
核心內容解讀
圖1. 凝膠聚合物電解質的設計與溶劑化結構研究。a) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的溶劑化結構及SEI演化示意圖。b) 鋰離子與不同溶劑的結合能。c) 不同電解質中Li?與溶劑和TFSI?的配位數分布。d-f) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Li?徑向分布函數（RDF）。
圖2. HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的物理化學性能。a) EC、EMC、FEMC、FEC、DFEC和LiTFSI的HOMO和LUMO能級。b) MB-GPE的FT-IR光譜。c) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的拉曼光譜。d) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的?Li NMR光譜。e) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的離子電導率。f) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Arrhenius曲線。g) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的線性掃描伏安（LSV）曲線。h) MB-GPE的電化學浮動分析。i) Li對稱電池的計時電流曲線。j) MB-GPE/PP復合隔膜的楊氏模量映射。k) HB-GPE和MB-GPE的燃燒實驗。
圖3. 鋰金屬沉積/剝離性能評估及鋰沉積形貌表征。a) Li | Li對稱電池在0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2下的循環性能。b) 本工作與其他近期報道的GPEs的離子電導率和對稱鋰電池穩定性對比。c) Li | MB-GPE | Li對稱電池的臨界電流密度（CCD）測試。d) Li | Cu電池在0.2 mA cm?2和0.2 mAh cm?2下的庫侖效率（CE）。e) Li | Cu電池的電壓-容量曲線。f-h) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE中鋰沉積的形貌。
圖4. 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的鋰金屬電池的電化學性能。(a) 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Li||LFP電池在0.5 C倍率下的循環性能。(b) 使用MB-GPE的Li|MB-GPE|LFP電池在0.5 C倍率下的充放電曲線（截止電壓4.0 V）。(c) 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Li||LFP電池在1 C倍率下的循環性能。(d) 使用MB-GPE的Li|MB-GPE|LFP電池在1 C倍率下的充放電曲線（截止電壓4.0 V）。(e) 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Li||LFP電池的倍率性能。(f) 使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPELi||NCM811電池在0.5 C倍率下的循環性能。(g) 使用MB-GPE的Li|MB-GPE|NCM811電池在0.5 C倍率下的充放電曲線（截止電壓4.3 V）。(h) 使用MB-GPE和LB-GPE的Li||NCM811電池的倍率性能。(i) 使用MB-GPE的Li||NCM811軟包電池的循環性能。(j)-(l) 使用MB-GPE的Li||NCM811軟包電池的安全性測試。
圖5. 界面化學分析SEI層。(a)-(c) 使用(a) HB-GPE，(b) LB-GPE和(c) MB-GPE的鋰金屬負極在0.5 C倍率下循環20圈后的C 1s深度剖析XPS譜圖。(d)-(f) 使用(d) HB-GPE，(e) LB-GPE和(f) MB-GPE的鋰金屬負極在0.5 C倍率下循環20圈后的O 1s深度剖析XPS譜圖。(g)-(i) 使用(g) HB-GPE，(h) LB-GPE和(i) MB-GPE的鋰金屬負極在0.5 C倍率下循環20圈后的F 1s深度剖析XPS譜圖。(j)-(k) 使用(j) HB-GPE和(k) MB-GPE的鋰金屬負極的TOF-SIMS二維和三維分布圖。
結論與展望
本研究通過設計具有適度Li?-溶劑結合的氟化凝膠聚合物電解質（MB-GPE），成功實現了鋰離子傳輸與界面穩定性的平衡。MB-GPE不僅表現出高離子電導率和寬電化學窗口，還在鋰金屬負極表面形成了富含LiF的無機SEI層，顯著提升了鋰金屬電池的循環穩定性和安全性。基于MB-GPE的鋰對稱電池實現了超過3200小時的穩定循環，且在LiFePO4和NCM811全電池中表現出優異的電化學性能。該研究為開發高性能凝膠聚合物電解質提供了新的設計思路，具有廣泛的應用前景。
文章鏈接
https://doi.org/10.1039/D4EE05866F|