Moderate Li+-Solvent Binding for Gel Polymer Electrolytes with Stable Cycling toward Lithium Metal Batteries
原創 Dreahow 新能源在線 2025年03月12日 08:30 上海
研究背景：高能鋰金屬電池的“阿喀琉斯之踵”
鋰金屬電池（LMBs）因極高的能量密度被視為下一代儲能設備，但其商業化面臨兩大難題：
1. 鋰枝晶失控生長：傳統電解液難以形成穩定的固態電解質界面（SEI），易引發短路甚至爆炸。
2. 離子傳輸效率與安全性矛盾：弱溶劑化策略雖能優化SEI，卻犧牲離子電導率，導致電池性能衰減。
凝膠聚合物電解質（GPE）因其柔韌性和高安全性備受關注，但如何平衡溶劑化調控與離子傳導仍是挑戰。
?? 研究內容：調控“鋰-溶劑結合力”破局
武漢理工大學木士春教授團隊通過氟化溶劑設計了三類GPE，系統探究了鋰離子與溶劑的結合強度對電池性能的影響：
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HB-GPE（高結合力）：常規溶劑（EC/EMC），離子電導率高但SEI有機成分多，穩定性差。
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MB-GPE（中結合力）：氟化溶劑（FEC/FEMC），平衡離子傳輸與SEI無機化。
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LB-GPE（低結合力）：深度氟化溶劑（DFEC/FEMC），SEI富含LiF但離子電導率驟降。
關鍵技術驗證：
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分子動力學模擬：MB-GPE中Li?與溶劑結合適中，促進陰離子參與溶劑化鞘層，形成LiF-rich SEI。
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電化學測試：MB-GPE離子電導率達1.95×10?3 S/cm，Li?遷移數0.62，氧化電位提升至5.12 V。
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循環表現：Li||Li對稱電池在0.5 mA/cm2下穩定循環超3200小時，遠超HB-GPE（900小時）和LB-GPE（1367小時）。
?? 研究結論：適度結合力才是“黃金平衡點”
MB-GPE性能完勝：
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SEI革命性升級：無機LiF占比提升，有效抑制副反應，鋰沉積均勻無枝晶（SEM驗證）。
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實際電池表現：Li||NCM811電池循環400次容量保持率81%，軟包電池彎曲/切割后仍安全運行。
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失敗案例啟示：HB-GPE因SEI不穩定、LB-GPE因離子電導率過低，均無法滿足長循環需求。
? 研究亮點：為固態電池設計指明方向
1. 理論創新：首次揭示“鋰-溶劑結合力”與SEI成分、離子傳輸的定量關系，提出“中度結合”策略。
2. 材料突破：氟化溶劑FEC/FEMC組合兼顧抗氧化性（HOMO/LUMO計算）與安全性（阻燃測試通過）。
3. 應用潛力：高負載正極（9.2 mg/cm2）軟包電池穩定循環20圈，容量保持84%，推動高能電池實用化。
?? 未來展望
該研究為設計高性能GPE提供了全新視角，后續可拓展至鈉/鉀金屬電池體系。正如作者所言：“調控溶劑化化學，是打開高能電池之門的鑰匙。”
論文來源：https://doi.org/10.1039/D4EE05866F