导读：锂离子电池（LIBs）的研究重点是抑制锂枝晶，提高离子电导率，提高Li金属/电解质界面相容性。本文报道了一种新策略制备凝胶聚合物电解质，由此构成的电池的电化学性能优异，可以对Li枝晶生长的有效抑制，助力于有机电解质体系安全地用于下一代高能量密度锂金属电池。

“锂电之父”Goodenough教授的名字很霸气。2019年10月9日，他和另外两位科学家共同荣获2019年诺贝尔化学奖，以表彰他们在锂离子电池研发领域做出杰出的贡献。Goodenough教授以97岁高龄成为迄今为止最年长的诺奖得主。

近日，Goodenough教授再度出手，联合西安交通大学唐伟教授和李明涛教授（通讯作者）报道了一种通过在功能修饰的SiO2层上负载有机液体电解质的原位凝胶化而制备的凝胶聚合物电解质，其在室温下具有1.98×10-3S cm-1的高室温离子电导率以及优异的热稳定性和电化学窗口（> 4.9 V），由此构成的LiFePO4/SiO2-GPE/Li电池在1C时循环700圈之后仍然能够以88.42%的容量保持率展现125.5 mAh g-1的高容量。这一切优异电化学性能主要是由于电极/SiO2-GPE电解质界面的高度相容性和协同效应对Li枝晶生长的有效抑制。相关论文以题为“Upgrading traditional organic electrolytes toward future lithiummetal batteries: a hierarchical nano SiO2-supported gel polymerelectrolyte”于2020年4月22日刚刚被ACS Energy Lett.接收。

论文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00412

近几十年来，锂离子电池（LIBs）已广泛应用于便携式电子设备和电动汽车。随着市场需求的不断增加，目前的LIBs难以满足未来电动汽车日益增长的能源和电力需求。高容量电极材料的探索被认为是提高能量密度的有效策略。在负极方面，锂金属由于其较高的理论容量和较低的还原电位，被认为是替代商业石墨负极的一种很有前途的选择。然而，在循环过程中，常见的有机电解液不可避免地与Li发生反应并产生Li枝晶，导致库伦效率（CE）低和巨大的安全隐患。采用固态电解质能够有效解决以上遇到的问题，如今的研究重点集中于抑制锂枝晶，提高离子电导率，提高Li金属/电解质界面相容性。

GPEs合成过程：首先用硅烷偶联剂异氰基丙基三乙氧基硅烷（IPTS）对亲水性SiO2进行表面改性，引入异氰酸酯基团；然后将异氰酸酯基团水解生成羧基，由羧基生成的质子引发DOL的开环聚合；最后，将预配置的前驱体溶液注入LiFePO4（LFP）正极表面，包覆上述功能修饰的SiO2。与传统的液体电解质相比，SiO2改性正极和商业化隔膜具有良好的润湿性能。

图1.SiO2-GPE的制备工艺及相应性质。（a）SiO2-GPE合成工艺示意图；（b） 纳米SiO2反应前后的FTIR光谱；（c）聚合后TPGDA和SiO2-GPE的FTIR光谱；（d，e）液体电解质（1M LiPF6-EC/EMC/DMC）和凝胶电解质（5 wt% TPGDA聚合于1M LiPF6-EC/EMC/DMC）的光学照片。

图2.SiO2-GPE的电化学表征。（a）传统液体电解质/隔膜体系、凝胶聚合物电解质和SiO2-GPE的TGA曲线；（b，c）传统液体电解质/隔膜，在SiO2层吸收的传统液体电解质和含3wt%、5wt%和10wt%TPGDA的SiO2-GPE的Arrhenius曲线和LSV曲线。（d）SiO2-GPE的CV曲线；（e，f）Li/SiO2-GPE/Li和Li/1M LiPF6-EC/EMC/DMC/Li电池的离子电导率测试。

图3.Li/Li对称电池的电化学稳定性分析和Li负极界面分析。（a，b）Li/SiO2-GPE/Li和Li/1M LiPF6-EC/EMC/DMC/Li对称电池在0.1mA cm-2和1 mA cm-2的循环曲线；（c，d）在1M LiPF6-EC/EMC/DMC电解液中，循环前后Li箔形貌变化；（e）相对应的Li负极EDX分析；（f）在SiO2-GPE电解质汇中，循环前后Li箔形貌变化；（g，h）相应的Li负极EDX分析。

图4.SiO2-GPE基电池的电化学表征。（a）LFP/SiO2-GPE/Li电池在不同充放电态下的阻抗；（b）在0.1C时的初始充放电曲线；（c）LFP/SiO2-GPE/Li电池的倍率性能；（d）在0.1C时的循环性能和循环效率。

总之，本工作报道了一种通过在功能修饰的SiO2层上负载的有机液体电解质的原位凝胶化而制备的凝胶聚合物电解质，使得正负极与SiO2-GPE之间具有较低的界面阻抗和对锂枝晶有明显的抑制作用，匹配的LFP/SiO2-GPE/Li电池以0.1C的倍率循环200圈之后，仍能以99.75%的容量保持率展现出162.9 mAh g-1的高容量。这样新颖的策略使得Li金属与电解液之间的问题得以顺利解决，从而进一步助力于有机电解质体系安全地用于下一代高能量密度锂金属电池。（文：Caspaer）

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