原位聚合聚(1,3-二氧戊环)-锂镁硅酸盐复合凝胶电解质在锂氧电池中的应用研究

为解决锂氧电池(LOBs)中凝胶聚合物电解质(GPEs)电化学稳定性不足的问题，研究人员通过原位聚合工艺开发了锂镁硅酸盐(LMS)填充的聚(1,3-二氧戊环)(PDOL)基复合凝胶电解质(cGPE)。该cGPE展现出1.554 mS cm?1的高离子电导率、5.4 V的宽电化学窗口及优异的锂枝晶抑制能力，使LOB的放电容量提升至7061.8 mAh g?1，循环寿命延长至180次，显著优于未填充LMS的GPE体系。

　　

锂氧电池(LOBs)因其高达3500 Wh kg^?1的理论能量密度被视为下一代储能技术的候选者，但传统液态电解质存在泄漏、挥发及与锂金属负极/活性氧物种副反应等问题。虽然固态电解质(SSEs)能规避这些风险，但其离子传输能力差、界面阻抗大等缺陷限制了应用。凝胶聚合物电解质(GPEs)兼具高离子传导性和界面兼容性，其中聚(1,3-二氧戊环)(PDOL)因主链含43.2 wt%极性氧原子（高于PEO的36.4 wt%）而备受关注，但其电化学窗口窄、抗锂枝晶能力弱的问题制约了其在LOBs苛刻工况下的应用。

天津大学（根据文末基金项目"Natural Science Foundation of Tianjin City"推断）的研究团队创新性地将锂镁硅酸盐(Li₂Mg₂Si₃O₉, LMS)作为填料，通过原位聚合制备PDOL基复合凝胶电解质(cGPE)。LMS的SiO₄四面体层带负电荷可吸引Li⁺，而MgO₆八面体带正电荷能固定阴离子，这种独特结构协同提升了电解质性能。研究成果发表于《Journal of the Energy Institute》。

关键技术包括：1) 原位聚合工艺制备PDOL基电解质；2) LMS填料的表面Lewis酸碱位点调控；3) 对称电池循环测试（0.05 mA cm^?2电流密度）；4) 热重分析(TGA)评估热稳定性；5) 线性扫描伏安法(LSV)测定电化学窗口。

【结果与讨论】

1. 材料表征：傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实LMS的Si-O键与PDOL链段形成配位作用，X射线衍射(XRD)显示LMS使聚合物结晶度从32.1%降至18.7%。

2. 电化学性能：cGPE离子电导率达1.554 mS cm^?1（比GPE提高41%），Li⁺迁移数从0.36增至0.48；LSV测试显示氧化稳定性从4.8 V提升至5.4 V。

3. 界面稳定性：锂对称电池在cGPE中可稳定循环1800小时（GPE仅900小时），SEM显示锂沉积更致密均匀。

4. 电池性能：cGPE基LOB的放电容量达7061.8 mAh g^?1（GPE为5216.7 mAh g^?1），循环寿命从85次延长至180次。

该研究揭示了LMS填料通过三重机制提升性能：1) 破坏聚合物链段有序排列；2) 促进LiTFSI解离；3) 在锂金属界面形成含MgO/SiO₂的稳定SEI层。这种策略为开发高安全、长寿命的固态锂金属电池提供了新思路，尤其适用于需耐受高氧化性环境的锂氧电池体系。