多重交联增强的离子凝胶电解质，用于安全高效的高性能准固态锂金属电池

《Journal of Materials Chemistry A》：Multiple-crosslinking-reinforced ionogel electrolytes for safe and high-performance quasi-solid-state lithium metal batteries

准固态离子凝胶电解质通过多交联结构实现高Li?迁移数（0.74）、机械强度（0.8 MPa）及抗氧化性（4.8 V），显著提升锂金属电池循环稳定性：Li||Li对称电池稳定运行5000小时，Li||LFP电池1000次循环容量保持80%，Li||NCM532电池200次循环容量保持76%。离子液体与聚合物共聚形成化学-物理复合交联网络，协同调控离子传输与SEI/CEI层结构。

　　离子凝胶电解质在下一代高能量密度锂金属电池中的应用前景广阔，因其具有良好的柔韧性和与电极的紧密接触特性。然而，传统离子凝胶电解质仍面临诸如锂离子（Li?）迁移率受限、机械性能较差等挑战。为了克服这些问题，研究人员设计了一种多交联的离子凝胶电解质，该电解质在多个方面展现出显著优势，包括较高的Li?迁移数、优异的氧化稳定性以及出色的机械强度。这些特性不仅提升了电池的安全性，还增强了其在高电压下的表现，从而推动了固态锂金属电池的发展。

### 电解质设计与性能提升

该离子凝胶电解质通过将1-乙烯基-3-乙氧基甲基咪唑??双（三氟甲磺酰）亚胺（VOMImTFSI）、季戊四醇四丙烯酸酯（PET4A）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）进行共聚反应，结合锂双（氟磺酰）亚胺（LiFSI）和吡咯烷??双（氟磺酰）亚胺（Pyr??FSI）作为支持电解质，构建了具有多交联结构的离子凝胶。这种多交联结构通过共价键和分子间氢键的协同作用，形成了坚固的聚合物框架，从而提高了电解质的机械稳定性。此外，通过金属离子-阴离子-多阳离子的配位结构，电解质内部形成了快速的Li?传输通道，有助于构建稳定的无机富集固态电解质界面（SEI）。

在电化学性能方面，该电解质表现出显著的Li?迁移率提升和高迁移数。在Li‖Li对称电池中，该离子凝胶电解质（IGE-2）实现了长达5000小时的稳定锂沉积/剥离性能，而传统电解质（PE）的稳定时间仅为约1200小时。这种性能的提升源于电解质中形成的高效Li?传输路径，以及Li?在电解质中更均匀的分布。同时，IGE-2还具有较高的离子电导率（9.58 × 10?? S cm?1），并在室温下展现出4.8 V的优异氧化稳定性，这使其在高电压锂金属电池中具有广阔的应用潜力。

### 与锂金属的兼容性

为了进一步验证该电解质与锂金属的兼容性，研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）和电化学阻抗谱（EIS）等手段分析了锂沉积的结构和界面行为。结果显示，使用IGE-2的锂电极表面形成了致密、均匀的锂沉积结构，而使用PE的锂电极则呈现出松散且不均匀的沉积形态。这种差异表明，IGE-2能够有效抑制锂枝晶的生长，从而提高电池的安全性和循环稳定性。

此外，X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示了IGE-2在锂电极表面形成的SEI层的组成。与PE相比，IGE-2的SEI层中富含LiF、Li?N和Li?S等无机成分，这些成分不仅提高了SEI的机械强度，还促进了Li?的高效传输。SEI层的致密性和均匀性使得锂金属在充放电过程中能够保持稳定的界面，从而减少了界面副反应和电解质分解的可能性。

### 与正极材料的兼容性

除了与锂金属的兼容性，该离子凝胶电解质还表现出良好的与正极材料（如LiFePO?）的相容性。在Li‖LiFePO?（LFP）电池中，IGE-2支持了稳定的循环性能，即使在1000次循环后仍能保持约80%的容量保持率。相比之下，使用PE的电池在0.5C和1C的电流密度下表现出显著的容量衰减，说明IGE-2在高电流密度下的表现更为优异。

在高电压条件下，IGE-2还表现出良好的稳定性。例如，在4.2 V的截止电压下，Li‖NCM532电池经过200次循环后仍能保持约76%的容量保持率，而PE的容量保持率仅为42.8%。这表明，IGE-2不仅能够支持高电压正极材料，还能在高电压下维持稳定的电化学性能，这对于提升电池的能量密度至关重要。

### 电解质的结构特性

为了深入理解IGE-2的结构特性，研究人员采用了多种表征手段。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析显示，随着VOMImTFSI、PET4A和PEGDA的共聚反应，乙烯基相关的C=C峰消失，表明形成了稳定的化学交联结构。此外，1H核磁共振（NMR）分析显示，加入PEGDA后，氧原子与咪唑??C–H基团之间的氢键作用显著增强，进一步提升了电解质的离子传输性能。

在热性能方面，IGE-2表现出优异的热稳定性，其热分解温度超过267 °C，远高于传统电解质。同时，IGE-2在空气中不会燃烧，这为其在高温环境下的应用提供了安全保障。差示扫描量热法（DSC）分析还显示，IGE-2的玻璃化转变温度（Tg）比PE更低，这有助于提高电解质在室温下的离子迁移率，从而增强其电化学性能。

### 机械性能与离子传输的平衡

在机械性能方面，IGE-2展现出显著的优势。其拉伸强度达到0.8 MPa，拉伸应变可达90%，这表明其在保持机械强度的同时，也具备良好的柔韧性。这种平衡的机械性能使其能够适应电池在充放电过程中的体积变化，避免因机械应力导致的电解质破裂或界面不稳定。

同时，IGE-2的离子传输性能也得到了显著改善。通过拉伸实验和电化学测试，研究人员发现，IGE-2的离子电导率和Li?迁移数均优于传统电解质。这种性能的提升主要得益于其多交联结构和高效的Li?传输路径，使得Li?能够在电解质中快速迁移，从而提高电池的整体效率和循环寿命。

### 电解质的工业化前景

考虑到其优异的性能，IGE-2不仅适用于实验室研究，还具有良好的工业化应用前景。其制备过程兼容于现有的电池制造工艺，且使用的材料均为商业化产品，无需昂贵的催化剂。此外，该电解质的热稳定性和非易燃性使其在高温和高电压环境下具有更高的安全性。

综上所述，这种多交联离子凝胶电解质通过优化其结构和组成，实现了在多个关键性能指标上的突破。其高离子电导率、高Li?迁移数、优异的氧化稳定性和良好的机械性能，为锂金属电池的高能量密度和长循环寿命提供了坚实的基础。这一研究成果不仅为固态锂金属电池的发展提供了新的思路，也为实现更安全、更高效的电池系统奠定了基础。