現代社會前所未有的電能消耗深刻影響了鋰離子電池（LIBs）的前景，其中高能量??密度正在成為未來社會的真正需求。由鋰（Li）負極，高能正極和穩定電解質組成的金屬鋰電池（LMB）是鋰二次電池領域最具激勵性的研究之一，但必須承認的是，在LIB中常用的液體電解質（LE）體系下，LMB的實際應用受到不可控Li枝晶生長和粉化的嚴重阻礙。先前研究者們付諸巨大的努力，采取許多方法致力于克服上述挑戰，其中探索與金屬鋰相容的安全穩定的電解質是特別關鍵和必不可少的。

關于凝膠聚合物電解質（GPE）和固體聚合物電解質（SPE）的研究受到廣泛關注。作為LMB的電解質，它們具有優于傳統LE的對Li負極的穩定性，但是完整電池中GPE和SPE存在的界面問題，尤其是正極材料和電解質之間的接觸問題，需要進一步解決。雖然許多研究已經證明原位聚合是合成具有良好相容界面的GPE和SPE的有效方法，但現在使用的大多數原位聚合策略都源自自由基聚合理論，而該理論要求存在額外的非電解質單體，引發劑，以及高溫等特殊條件。目前看來仍然缺乏有效的生產策略，可以利用常規電解質材料來制備商業化固體或準固體電解質而不引入雜質，并可在溫和的外部條件下實現生產。然而可以確信的是，如果這樣的策略在電池行業中得到探??索和應用， 基于GPE和SPE的LMB的實質性商業化將具有相當大的可行性。

最近，北師大李林教授和中科院化學所郭玉國教授（共同通訊作者）開發了一種新的策略，通過添加商業化六氟磷酸鋰（LiPF6）的方法，將傳統的醚基1,3-二氧戊環（DOL）和1,2-二甲氧基乙烷（DME）LE轉化為新型準固體GPE。 其中LiPF6和DOL之間有趣的陽離子開環聚合反應首次被發掘并用于Li二次電池體系。與大多數常用的原位凝膠化方法相比，該策略在設計上具有無可比擬的優點，包括完全使用商業化電解質材料，無雜質和室溫條件等。據我們所知，它是原位制備聚合物基電解質最簡單的方法之一。源自傳統電解質體系但具有與Li負極優異兼容性的這一新型GPE，在下一代LMB中具有巨大的應用潛力。在此前提下，該新型GPE已被成功地應用于一系列包含硫，LiFePO4和LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM622）正極的LMB，展現出優異的普適性和商業化前景。該文章發表在國際期刊Science Advances上。

核心內容

圖1 GPE的聚合機制，結構和特征。（A）LiPF6誘導的DOL聚合機理的示意模型。 （B）LE和GPE的光學照片。 （C）PDXL的1H NMR光譜。（D）凝膠化過程中分子量（藍色點線）和離子電導率（紅色點線）的變化過程。

圖2具有GPE和LE的Li | Li對稱電池的電化學測試和Li形貌。Li | GPE | Li（紅線）和Li | LE | Li（藍線）對稱電池在室溫下的曲線，電流密度為（A）0.5 mA/cm2和（B）1.0 mA/cm2， 對應面容量為1.0 mAh/cm2。（C）在1.0mA/cm2下循環后GPE系統中的Li負極的表面形貌和（D）橫截面形貌。（E）在1.0mA/cm2下循環后LE系統中Li負極的表面形貌和（F）橫截面形貌。

圖3應用于Li-S電池的GPE的示意圖，SEM和光學照片。（A）電池系統內的原位聚合的示意圖。聚合前（B）KB（科琴黑）/ S復合正極和（C）隔膜的表面形貌。聚合后（D）KB / S復合正極和（E）隔膜的表面形貌。（F）Li2S8在LE（左）和GPE（右）中的滲透行為。（G）在0.5C的50個循環后，從Li-S電池收集的隔膜的光學照片，LE（左）和GPE（右）。

圖4具有GPE和LE的Li-S電池的電化學性能。帶有GPE（A）和帶有LE（B）的Li-S電池前三個循環0.5C的充電/放電曲線。帶有GPE（C）和LE（D）的Li-S電池的CV曲線，掃描速率為0.05 mV/s。（E）具有GPE和LE的電池的循環性能和庫侖效率。

圖5 LiFePO4 | GPE | Li電池和LiFePO4 | LE | Li電池的電化學性能。（A）LiFePO4 | GPE | Li電池的充放電曲線。（B）LiFePO4 | GPE | Li電池和LiFePO4 | LE | Li電池的循環性能和庫侖效率。

圖6 NCM622 | GPE |Li電池和NCM622 | LE |Li電池的電化學性能。（A）LE和（C）GPE的LSV曲線。（B）NCM622 | LE | Li電池和（D）NCM622 | GPE | Li電池的充電/放電曲線，電壓范圍為2.8至4.3 V.（E）NCM622| GPE | Li電池的循環性能和庫侖效率。 （F）在各種機械變形下由柔性NCM622 | GPE | Li電池點亮的LED燈的光學圖像。

綜上所述，本研究創新性地使用LiPF6誘導傳統DOL/DME LE的原位凝膠化，由此在室溫條件下自發獲得了一種新型的準固體GPE。以陽離子開環聚合機理作為其內部驅動力的這一新策略，可以成為制造聚合物基凝膠電解質的最簡便和直接的方法之一。所制備的準固體GPE對Li負極的枝晶生長和粉化具有有效的約束效應，這使其有望成為LMB最具前景的電解質之一。此外，對于包含不同正極的多種LMB，這一GPE體現出多方面的優勢以及優秀的普適性：（i）對多硫化物擴散和穿梭效應具有限制作用的GPE可以使Li-S電池具有高的庫侖效率（> 97.0％，無添加劑）和出色的長循環容量保持，表現為至少1000次的循環，以及每圈0.05%的低衰減。（ii）在LiFePO4 | Li電池中使用GPE，電池表現出優異的穩定性，700次循環后容量保持率仍高達95.6％。（iii）GPE具有明顯拓寬的電化學穩定區間，匹配 NCM622使用時，在4.30 V的截止電壓下仍可使電池保持正常的充放電行為與穩定循環性能，從而改善了傳統醚基液體電解質的電壓限制。 這一GPE源自最常規的電解質材料，并且對當前電池體系的裝配技術具有前所未有的適應性，因此其在實際工業化中的應用前景是不難預見的。由此可以想見，這一研究將為傳統電解質產業升級這一課題帶來新的、更廣泛的關注，并可能成為未來LMBs先進電解質體系探索的新前沿。

Feng-Quan Liu, Wen-Peng Wang, Ya-Xia Yin, Shuai-Feng Zhang, Ji-Lei Shi, Lu Wang, Xu-Dong Zhang, Yue Zheng, Jian-Jun Zhou, Lin Li, Yu-Guo Guo, Upgrading traditional liquid electrolyte via in situ gelation for future lithium metal batteries, Science Advances, 2018, DOI:10.1126/sciadv.aat5383

來源：能源學人網