Energist 能源學(xué)人 2025年03月23日 08:02 廣東 
【研究背景】

鋰金屬電池（LMBs）因其高能量密度被視為下一代儲(chǔ)能設(shè)備。然而，目前的電解質(zhì)體系在溶劑化調(diào)控方面存在不足，導(dǎo)致了緩慢的鋰離子傳輸和不可控的鋰枝晶生長(zhǎng)，限制了鋰金屬電池應(yīng)用。通過(guò)降低Li⁺與溶劑的親和力而形成的弱溶劑化環(huán)境有利于改善LMBs電解質(zhì)的性能。這是因?yàn)楫?dāng)陰離子進(jìn)入Li⁺溶劑化鞘內(nèi)時(shí)，將會(huì)形成由陰離子衍生的富含無(wú)機(jī)組分的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）。然而，弱溶劑化調(diào)控難免對(duì)鋰鹽解離產(chǎn)生影響，導(dǎo)致電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率降低，從而影響電解質(zhì)的離子傳輸性能。因此，如何合理調(diào)節(jié)溶劑化以實(shí)現(xiàn)鋰離子的快速傳輸和穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）之間的平衡對(duì)優(yōu)化電池穩(wěn)定性能至關(guān)重要。
【工作簡(jiǎn)介】

近日，武漢理工大學(xué)木士春、曾煒豪團(tuán)隊(duì)及廖小彬博士等研究者通過(guò)原位聚合策略設(shè)計(jì)并構(gòu)建了三種具有高、中、低Li⁺-溶劑結(jié)合強(qiáng)度的凝膠聚合物電解質(zhì)（GPEs）。其中，具有中等Li⁺-溶劑結(jié)合強(qiáng)度的凝膠聚合物電解質(zhì)（MB-GPE）促進(jìn)了陰離子衍生的溶劑化結(jié)構(gòu)，形成了富含無(wú)機(jī)成分（如LiF）的SEI，有效抑制了界面副反應(yīng)，并加速了界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。此外，MB-GPE對(duì)鋰鹽解離的影響較小，具有優(yōu)異的離子電導(dǎo)率。相比之下，具有高和低Li⁺-溶劑結(jié)合強(qiáng)度的GPEs在LMBs中表現(xiàn)出較差的循環(huán)性能。這主要是由于SEI穩(wěn)定性和Li⁺傳輸受到顯著限制。研究證實(shí)，設(shè)計(jì)具有中等Li⁺-溶劑結(jié)合強(qiáng)度的凝膠聚合物電解質(zhì)是一種有效策略，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的Li⁺傳輸并促進(jìn)穩(wěn)定SEI層的形成，從而確保鋰金屬電池的高比容量和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該文章發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Energy & Environmental Science上。張少杰和李忠澎為本文共同第一作者。
【內(nèi)容表述】

在這項(xiàng)工作中，為了探尋溶劑化調(diào)控與電解質(zhì)性能之間的關(guān)系，作者采用原位聚合策略設(shè)計(jì)、構(gòu)建了具有不同Li⁺-溶劑結(jié)合力的GPEs。他們合成了三組具有不同氟化組分的凝膠電解質(zhì)，即碳酸乙烯酯（EC）和碳酸甲乙酯（EMC）、氟化碳酸乙烯酯（FEC）和2,2,2-三氟乙基碳酸甲酯（FEMC）及二氟碳酸乙烯酯（DFEC）和FEMC，分別具有高Li⁺-溶劑結(jié)合力（HB-GPE）、中等Li⁺-溶劑結(jié)合力（MB-GPE）和低Li⁺-溶劑結(jié)合力（LB-GPE）。在本項(xiàng)工作中，與鋰金屬具有良好相容性的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）被選擇作為聚合單體。
3.1 凝膠聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)

在具有高Li⁺-溶劑結(jié)合力的凝膠電解質(zhì)（HB-GPE）中，由于溶劑較強(qiáng)的親和力，鋰鹽可實(shí)現(xiàn)充分解離。但溶劑過(guò)多地進(jìn)入Li⁺的溶劑化鞘中時(shí)，在遷移至金屬鋰表面時(shí)容易生成含大量有機(jī)組分的SEI，而且鋰枝晶生長(zhǎng)亦較快，不利于鋰金屬的穩(wěn)定循環(huán)。而在具有低Li⁺-溶劑結(jié)合力的凝膠電解質(zhì)（LB-GPE）中，由于溶劑的溶劑化能力較差，Li⁺仍與陰離子緊密結(jié)合，大量鋰鹽未解離，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率大幅降低。但由于較多的陰離子可遷移至Li⁺的溶劑化鞘中，界面性能有所改善。在具有適度Li⁺-溶劑結(jié)合力的凝膠電解質(zhì)（MB-GPE）中，由于溶劑具有適度親和力，Li⁺既能擺脫陰離子的束縛，鋰鹽得到充分解離，賦予電解質(zhì)高的離子電導(dǎo)率，陰離子也能順利遷移至Li⁺的溶劑化鞘中，從而衍生出由陰離子主導(dǎo)且富含無(wú)機(jī)組分（例如LiF）的SEI，可有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。在實(shí)現(xiàn)金屬鋰的高穩(wěn)定循環(huán)的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)鋰離子的快速遷移。
本工作首先對(duì)三種具有不同Li⁺-溶劑結(jié)合的凝膠聚合物電解質(zhì)進(jìn)行了模擬計(jì)算。從EC到FEC再到DFEC，Li⁺與不同溶劑的結(jié)合力數(shù)值從-2.2降至-2.0 eV，再降至-1.81 eV。此外，從EMC到FEMC，結(jié)合力數(shù)值從-2.0降至-1.66 eV。計(jì)算結(jié)果表明，隨著氟化程度的增加，Li⁺-溶劑結(jié)合力逐漸降低。采用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬分析Li⁺-溶劑結(jié)合力與溶劑化結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。在第一溶劑化鞘層（r=2 A）中，對(duì)于HB-GPE，Li⁺與EC的配位數(shù)為0.4，Li⁺與EMC的配位數(shù)為0.29；對(duì)于MB-GPE，Li⁺與FEC的配位數(shù)為0.19，Li⁺與FEMC的配位數(shù)為0.06；對(duì)于LB-GPE，Li⁺與DEFC的配位數(shù)為0.08，Li⁺與FEMC的配位數(shù)為0.1。因此，隨著凝膠電解質(zhì)中Li⁺與溶劑結(jié)合力的減少，在第一溶劑化鞘中，Li⁺/溶劑的總配位數(shù)逐漸減少，而Li⁺/TFSI^-的配位數(shù)逐漸增加。徑向分布函數(shù)（RDFs）結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，隨著溶劑分子氟化程度的增加，在第一溶劑化鞘層（r=2 A）中，Li⁺與溶劑分子的相互作用逐漸減弱（EC>FEC>DFEC，EMC>FEMC），更多的陰離子進(jìn)入到Li⁺的溶劑化結(jié)構(gòu)中，有利于形成由陰離子衍生的富含無(wú)機(jī)物的SEI。

圖1 凝膠聚合物電解質(zhì)設(shè)計(jì)和溶劑化結(jié)構(gòu)研究。(a) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的溶劑化結(jié)構(gòu)和SEI演變過(guò)程。(b) 不同溶劑與Li⁺的結(jié)合力計(jì)算。(c) 不同凝膠電解質(zhì)中Li⁺與溶劑和TFSI^-的氧原子配位數(shù)變化。（d，e，f）由MD模擬得到的HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的徑向分布函數(shù)。
3.2 物化性能評(píng)估

采用密度泛函理論（DFT）對(duì)三種凝膠聚合物電解質(zhì)所使用的溶劑和鋰鹽的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級(jí)和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)計(jì)算。從EC到FEC，再到DFEC，HOMO和LUMO能值逐漸降低；從EMC到FEMC，HOMO和LUMO能值也逐漸降低。LiTFSI的LUMO能級(jí)最低（-1.43 eV），更有利于在鋰陽(yáng)極處被還原分解，形成富含LiF無(wú)機(jī)組分的SEI。
通過(guò)Raman拉曼光譜和液態(tài)核磁NMR測(cè)試分析Li⁺在HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的溶劑化結(jié)構(gòu)中的解離狀態(tài)。LiTFSI的光譜可擬合成三個(gè)部分：自由TFSI^-（位于738.9 cm^-1，未配位的TFSI^-）、接觸離子對(duì)（CIP，742.7 cm^-1，與一個(gè)Li⁺結(jié)合的TFSI^-）和聚集體（AGG，747.9 cm^-1，與兩個(gè)或更多Li⁺結(jié)合的TFSI^-）。LB-GPE中存在少量游離TFSI^-信號(hào)，表明LB-GPE中存在大量未解離的Li⁺。MB-GPE中存在較多的游離TFSI^-信號(hào)和CIP信號(hào)，表明鋰鹽已充分解離，有利于形成由陰離子主導(dǎo)的溶劑化結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步采用⁷Li NMR分析溶劑化結(jié)構(gòu)中Li⁺周?chē)幕瘜W(xué)環(huán)境。與HB-GPE相比，MB-GPE和LB-GPE的⁷Li峰向左移，表明Li⁺周?chē)碾姾善帘纬潭冉档停欣阡囯x子的快速遷移。這證明具有適度Li⁺-溶劑結(jié)合力的MB-GPE可同時(shí)實(shí)現(xiàn)LiTFSI的完全解離和Li⁺的快速遷移。雖然HB-GPE具有最佳的鋰解離狀態(tài)，但鋰離子遷移受阻；而低Li⁺-溶劑結(jié)合力的LB-GPE則會(huì)大幅阻礙LiTFSI的解離。
測(cè)試結(jié)果表明，MB-GPE在室溫下具有高的離子電導(dǎo)率（1.95×10^-3 S cm^-1），居于LB-GPE（6.73×10^-4 S cm^-1）和HB-GPE（3.84×10^-3 S cm^-1）之間。MB-GPE的遷移活化能（0.151 eV）略高于LB-GPE的0.143 eV，而低于HB-GPE（0.193 eV）。鋰離子遷移勢(shì)壘的降低有利于Li⁺快速遷移。MB-GPE和LB-GPE的氧化電位分別為5.12 V和5.23 V，高于HB-GPE的4.08 V，表明MB-GPE擁有高的抗氧化性能。在4.2至4.7 V的電壓范圍內(nèi)，使用MB-GPE和LB-GPE的Li||NCM811電池均出現(xiàn)穩(wěn)定的漏電流，表現(xiàn)出優(yōu)異的高壓穩(wěn)定性。而使用HB-GPE的電池在恒壓充電至4.3 V時(shí)電流顯著增加，表明在4.3 V高壓下HB-GPE的穩(wěn)定性較差。此外，MB-GPE的Li⁺遷移數(shù)為0.62，分別高于HB-GPE（0.58）和LB-GPE（0.31）。較高的Li⁺遷移數(shù)表明MB-GPE的界面極化較低，降低了濃差極化的影響，從而促進(jìn)鋰的均勻沉積。

圖2 HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE物化特性。(a) EC、EMC、FEMC、FEC、DFEC和LiTFSI的HOMO和LUMO能級(jí)。(b) MB-GPE、LiTFSI、FEMC、FEC和PEGDA傅立葉變換紅外光譜，波長(zhǎng)范圍為500-2500 cm^-1。(c) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的拉曼光譜。(d) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的⁷Li NMR光譜。(e) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE離子電導(dǎo)率。(f) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的阿倫尼烏斯擬合。(g) HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的LSV曲線。(h) MB-GPE電化學(xué)浮動(dòng)分析。(i) 使用MB-GPE的鋰對(duì)稱電池的極化曲線。插圖顯示極化前后的奈奎斯特圖。(j) MB-GPE/PP復(fù)合隔膜的楊氏模量圖。(k) HB-GPE和MB-GPE可燃性測(cè)試。
3.3 金屬鋰界面穩(wěn)定性分析

使用HB-GPE、LB-GPE和MB-GPE等三種凝膠聚合物電解質(zhì)組裝了Li||Li對(duì)稱電池，對(duì)金屬鋰在鋰沉積和剝離過(guò)程中的界面穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試電流密度為0.5 mA cm^-2，容量為0.5 mAh cm^-2。Li|MB-GPE|Li對(duì)稱電池穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)3200小時(shí)后仍保持約30 mV的低過(guò)電位，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。相比之下，使用HB-GPE和LB-GPE的Li||Li對(duì)稱電池在循環(huán)900小時(shí)和1367小時(shí)后分別出現(xiàn)短路，極化電壓驟減，表明此時(shí)金屬鋰發(fā)生嚴(yán)重副反應(yīng)，界面穩(wěn)定性較差。進(jìn)一步測(cè)試臨界電流密度(CCD)以評(píng)估HB-GPE、LB-GPE和MB-GPE抑制鋰枝晶的能力。MB-GPE的CCD為3.5 mA/cm²，而HB-GPE和LB-GPE的CCD分別為1.5和2 mA/cm²。這表明MB-GPE可承受更大的電流密度，在抑制鋰枝晶生長(zhǎng)方面的能力最強(qiáng)。
分別使用HB-GPE、LB-GPE和MB-GPE組裝了Li||Cu電池，進(jìn)一步考察其鋰沉積和剝離過(guò)程中的庫(kù)侖效率（CE）。使用MB-GPE和LB-GPE的鋰銅電池的平均CE值分別為93.42%和93.64%，均高于HB-GPE（65.97%）。使用MB-GPE的Li||Cu電池在循環(huán)第1、50和150圈時(shí)的極化電壓分別為82、40和46 mV。較小的極化電壓表明MB-GPE在鋰沉積-剝離過(guò)程中具有出色的穩(wěn)定性。而使用HB-GPE的Li||Cu電池在循環(huán)第1和50圈時(shí)的極化電壓分別為108和99 mV，隨后庫(kù)倫效率迅速降低。使用LB-GPE的Li||Cu電池在循環(huán)第1、50和150圈時(shí)的極化電壓分別為134、97和161 mV。其較大的極化電壓與其較差的鋰沉積形態(tài)相對(duì)應(yīng)。進(jìn)一步分析銅箔表面沉積的鋰的形態(tài)和厚度可知，在使用HB-GPE的銅箔上可觀察到疏松多孔的針狀鋰枝晶，表明HB-GPE與鋰金屬發(fā)生了嚴(yán)重的副反應(yīng)，并產(chǎn)生大量死鋰；當(dāng)使用MB-GPE時(shí)，銅箔上沉積的鋰表面平整致密，沒(méi)有可見(jiàn)的枝晶；當(dāng)使用LB-GPE時(shí)，沉積在銅箔上的鋰呈現(xiàn)出帶有凹坑的塊狀形態(tài)，表明存在不均勻的鋰沉積。截面SEM觀察結(jié)果表明，使用MB-GPE和LB-GPE后的沉積鋰的厚度分別為16.8和16.9 μm，小于HB-GPE的48.6 μm。這表明MB-GPE能夠促進(jìn)鋰離子通量的均勻分布并調(diào)節(jié)鋰成核，最終實(shí)現(xiàn)鋰的均勻沉積。

圖3 鋰沉積/剝離性能評(píng)估和鋰沉積形態(tài)表征。（a）基于HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE的Li||Li對(duì)稱電池在0.5 mA cm^-2和0.5 mAh cm^-2條件下的循環(huán)性能。（b）本研究中的GPE與最近報(bào)道的其他GPE在離子電導(dǎo)率和對(duì)鋰穩(wěn)定性方面的比較。（c）Li|MB-GPE|Li對(duì)稱電池的臨界電流密度測(cè)試。（d）電流密度為0.2 mA cm^-2、容量為0.2 mAh cm^-2時(shí)鋰在銅箔上的沉積/剝離庫(kù)侖效率。（e）基于MB-GPE的Li||Cu電池的電壓-容量曲線，插圖顯示了第1、50和150圈時(shí)的電壓-容量曲線。在基于（f）HB-GPE、（g）MB-GPE和（h）LB-GPE電池中，在1 mA cm^–2和5 mAh cm^–2條件下鋰在銅箔表面的沉積形貌；插圖是使用HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE后鋰沉積的橫截面形態(tài)。
3.4 鋰金屬電池的循環(huán)性能分析

以磷酸鐵鋰（LiFePO₄）為正極，鋰金屬為負(fù)極，組裝成Li||LiFePO₄鋰金屬電池，并測(cè)試電池在不同倍率下的循環(huán)性能。Li|MB-GPE|LiFePO₄電池在0.5 C下的初始放電比容量為144.6 mAh g^-1；在循環(huán)780圈后，其放電比容量為122 mAh g^-1，平均CE值為99.99%，容量保持率為84.4%。相比之下，Li|HB-GPE|LiFePO₄和Li|LB-GPE|LiFePO₄的初始放電比容量分別為126.7和139.7 mAh g^-1，循環(huán)500圈后的容量保持率分別為46.8%和72.3%。Li|MB-GPE|LiFePO₄電池在更大倍率（1 C）下仍具有優(yōu)異的循環(huán)性能。
為了評(píng)估MB-GPE與高鎳正極材料（NCM811）的兼容性，組裝了Li||NCM811鋰金屬電池，并在3.0-4.3 V的電壓范圍內(nèi)測(cè)試其循環(huán)性能。使用MB-GPE的Li||NCM811電池在0.5 C下的初始放電比容量為157 mAh g^-1。在循環(huán)400圈后，其放電比容量降至125.8 mAh g^-1，但容量保持率仍高達(dá)80.1％。而Li|LB-GPE|NCM811電池的初始放電比容量為135.8 mAh g^-1，循環(huán)230次后容量保持率降為52.1%。值得注意的是，僅僅循環(huán)10次后，Li|HB-GPE|NCM811電池的放電比容量就從145.2下降到77.5 mAh g^-1，難以在高電壓下正常工作。這個(gè)測(cè)試結(jié)果也與HB-GPE較低的電化學(xué)窗口和較差的電化學(xué)浮動(dòng)測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)。為了進(jìn)一步證明MB-GPE在實(shí)際應(yīng)用中的潛力，進(jìn)一步將其與高負(fù)載的NCM811正極片（負(fù)載量：9.2 mg cm^-2）和超薄的鋰箔負(fù)極（厚度：50 μm）組裝成軟包電池。軟包電池在0.2 C倍率下可穩(wěn)定循環(huán)20個(gè)周期，容量保持率為84%，并表現(xiàn)出優(yōu)越的安全性能。

圖4 基于HB-GPE、MB-GPE和LB-GPE電池的鋰金屬電池循環(huán)性能。(a) 基于三種凝膠聚合物電解質(zhì)的Li||LFP電池在0.5 C下的循環(huán)性能。(b)基于MB-GPE的Li||LFP電池在0.5 C倍率，4 V截止電壓下的放電/充電電壓曲線。(c) 基于三種凝膠聚合物電解質(zhì)的Li||LFP電池在1 C下的循環(huán)性能。(d) 基于MB-GPE的Li||LFP電池在1 C倍率，4 V截止電壓下的放電/充電電壓曲線。（e）基于三種凝膠聚合物電解質(zhì)的Li||LFP電池的倍率性能，以及（f）Li||NCM811電池在0.5 C下的循環(huán)性能。（g）基于MB-GPE的Li||NCM811電池在0.5 C倍率，4.3 V截止電壓下的放電/充電電壓曲線。（h）基于三種凝膠聚合物電解質(zhì)的Li||NCM811電池的倍率性能。（i）基于MB-GPE的Li||NCM811軟包電池的循環(huán)性能。基于MB-GPE的Li||NCM811軟包電池在不同狀態(tài)的安全測(cè)試：（j）鋪展；（k）彎折；（l）剪切。
3.5 電極界面分析

基于三種凝膠聚合物電解質(zhì)的Li||LiFePO₄電池在0.5 C下循環(huán)20次后，進(jìn)一步采用X射線光電子能譜（XPS）對(duì)其鋰金屬表面進(jìn)行深度蝕刻，以分析SEI組分。在C 1s光譜中，基于HB-GPE和LB-GPE電池的金屬鋰表面含有大量的C-O和C=O有機(jī)成分，且隨著刻蝕深度的增加，C-O和C=O有機(jī)成分仍大量存在。這表明基于HB-GPE和LB-GPE電池的金屬鋰發(fā)生了嚴(yán)重的副反應(yīng)，從而產(chǎn)生較多有機(jī)組分。相反，基于MB-GPE電池的金屬鋰中，可以觀察到少量的C-O和C=O成分，且隨刻蝕深度增加，含量逐漸減少；此外，金屬鋰中的Li₂CO₃無(wú)機(jī)成分較多，含量分布均勻。在O1s光譜中，與HB-GPE和LB-GPE相比，隨著蝕刻深度的增加，基于MB-GPE電池的SEI層中觀察到了Li₂O無(wú)機(jī)組分，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)RO-Li有機(jī)成分。在F1s光譜中，與HB-GPE和LB-GPE相比，基于MB-GPE電池的金屬鋰表面僅含有LiF無(wú)機(jī)氟化物，表明形成了富含Li₂CO₃、Li₂O、LiF等無(wú)機(jī)組分的SEI層。多種無(wú)機(jī)組分的協(xié)同作用，提高了電池的電化學(xué)穩(wěn)定性，抑制了鋰枝晶生長(zhǎng)，并構(gòu)筑了均勻的Li⁺擴(kuò)散通量，賦予了鋰金屬負(fù)極高的循環(huán)壽命。
基于MB-GPE電池，進(jìn)一步采用了飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法（TOF-SIMS）探究其SEI中無(wú)機(jī)組分的三維含量分布。隨著濺射時(shí)間的增加，基于HB-GPE電池的金屬鋰中C₂HO^-有機(jī)組分的含量始終多于LiF₂^-，無(wú)機(jī)組分占少量。與HB-GPE相比，基于MB-GPE電池的薄SEI層中同時(shí)富含LiF₂^-（來(lái)自LiF）、Li₂CO₃^-和LiO₂^-離子；而且C₂HO^-有機(jī)組分的含量低于LiF₂^-，無(wú)機(jī)組分占主導(dǎo)。這些研究結(jié)果表明，MB-GPE促進(jìn)了富含Li₂CO₃、Li₂O和LiF無(wú)機(jī)成分的SEI層的形成，有利于抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定循環(huán)。

圖5 SEI層的界面化學(xué)分析：基于（a）HB-GPE、（b）LB-GPE和（c）MB-GPE電池的鋰金屬陽(yáng)極循環(huán)20次后C 1s的XPS深度分析；基于（d）HB-GPE、（e）LB-GPE和（f）MB-GPE電池的鋰金屬陽(yáng)極循環(huán)20次后O 1s的XPS深度分析；基于（g）HB-GPE、（h）LB-GPE和（i）MB-GPE電池的鋰金屬陽(yáng)極循環(huán)20次后F 1s的XPS深度分析。基于（j）HB-GPE和（k）MB-GPE電池的鋰金屬表面的代表性二次離子的TOF-SIMS二維和三維映射圖像。
【核心結(jié)論】

本項(xiàng)工作中，研究員人員設(shè)計(jì)、合成了具有適度Li⁺-溶劑結(jié)合力的含氟凝膠聚合物電解質(zhì)（MB-GPE），并系統(tǒng)評(píng)估了具有高、適中、低Li⁺-溶劑結(jié)合力凝膠聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)性能。結(jié)果表明，引入氟化溶劑FEC和FEMC的MB-GPE能有效地平衡弱溶劑化調(diào)控和鋰離子傳輸之間的矛盾；此外，該電解質(zhì)還有助于形成富含LiF等無(wú)機(jī)組分的SEI，極大改善了鋰金屬負(fù)極的循環(huán)性能。MB-GPE具有1.95×10^-3 S cm^-1的高離子電導(dǎo)率、0.62的鋰離子遷移數(shù)和5.12 V的寬電化學(xué)窗口。基于MB-GPE的Li||Li對(duì)稱電池在0.5 mA cm^-2的電流密度下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)3200小時(shí)的穩(wěn)定循環(huán)，而Li|MB-GPE|Cu電池在0.2 mA cm^-2的電流密度下展現(xiàn)出優(yōu)異的鋰沉積/剝離性能和高的庫(kù)倫效率（93.42%）。當(dāng)MB-GPE應(yīng)用于LiFePO₄和NCM811多種正極的鋰金屬電池時(shí)，其循環(huán)可逆性顯著提高。此外，使用MB-GPE組裝的Li||NCM811軟包電池具有良好的循環(huán)性能和優(yōu)異的安全性能。本工作所提出的溶劑化結(jié)構(gòu)策略為設(shè)計(jì)高性能凝膠聚合物電解質(zhì)及高性能固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)新的思路。 
【文獻(xiàn)詳情】

Shaojie Zhang#, Zhongpeng Li#, Yixin Zhang, Xuanpeng Wang, Peiyang Dong, Saihai Lei, Weihao Zeng*, Juan Wang, Xiaobin Liao*, Xingye Chen, Dongqi Li, Shichun Mu*. Moderate Li⁺-Solvent Binding for Gel Polymer Electrolytes with Stable Cycling toward Lithium Metal Batteries. Energy & Environmental Science, 2025, Doi:10.1039/D4EE05866F.