双站点凝胶电解质构建阴离子配位诱导的富氟界面，用于高温锂离子电池

《Journal of Energy Storage》：Dual-site gel electrolyte constructing anion coordination-induced fluoride-rich interface for high-temperature lithium-ion batteries

NCM811正极材料因高温循环中电解液界面（CEI）不稳定导致金属溶解和电极间串扰，本研究通过自由基聚合NTFA与MBA制备氟化凝胶聚合物电解质（NMGPE），其三维交联网络抑制TM溶解并增强界面稳定性，使NCM811||石墨电池在45℃/1C下循环924次容量保持82.1%，显著优于传统液态电解质。

　　
锂离子电池高镍正极材料表面稳定化研究取得突破性进展

（摘要部分）
针对NCM811型高镍正极材料在高温循环过程中存在的电解液界面（CEI）不稳定问题，研究团队成功开发了新型氟化凝胶聚合物电解质（NMGPE）。该电解质通过引入含氟丙烯酰胺单体与交联剂，构建了三维交联网络结构，同时形成稳定的LiF富集界面层。实验表明，采用NMGPE的NCM811石墨电池在45℃高温下经过924次循环后仍保持82.1%的容量保持率，显著优于传统液态电解质体系。

（研究背景）
高镍三元正极材料因具有更高的能量密度和更好的结构稳定性，已成为锂离子电池发展的重点方向。然而，这类材料在循环过程中面临多重挑战：首先，正极材料在充放电过程中发生的各向异性体积膨胀（约15-20%）导致电极颗粒开裂，形成新的活性表面，加剧金属溶解；其次，高温环境（>40℃）会显著降低金属氧键的稳定性，促使Ni2?、Co2?等过渡金属的溶解量增加3-5倍；第三，溶解的金属离子迁移至负极表面引发副反应，导致SEI膜增厚和离子传输阻抗急剧上升。这些因素共同导致电池容量衰减速度加快，循环寿命缩短。

（技术难点分析）
传统液态电解质在高温条件下存在三重失效机制：1）电解质分解产生气体导致电极结构破坏；2）金属离子溶解形成枝晶导致极耳接触不良；3）副反应产物积累形成致密SEI膜阻碍离子传输。固态电解质虽具有高离子迁移数优势，但脆性大、界面阻抗高的问题尚未完全解决。因此，开发兼具柔韧性和界面稳定性的新型电解质体系成为关键。

（创新解决方案）
研究团队采用"氟化单体-交联网络"协同设计策略，通过自由基聚合反应制备NMGPE电解质。其核心技术突破体现在两个方面：
1. 氟化单体NTFA的创新应用
NTFA单体中的三氟乙酰基团通过形成伪氢键网络（N-H...F-C），显著增强对Li?的配位能力。实验数据表明，该设计使Li?迁移数提升至0.74（传统液态电解质为0.6-0.65），同时将PF??迁移速率降低约80%。这种离解平衡的改善有效抑制了负极石墨的不可逆容量损失。

2. 三维交联网络构建技术
采用双功能交联剂MBA，在60℃诱导条件下形成稳定的网状结构。该结构具有三个显著优势：①机械强度提升3倍以上，可承受电极体积变化带来的剪切应力；②孔隙率控制在15-20%范围，既保证离子传输效率（6.64 mS/cm2）又形成致密物理屏障；③动态可逆的交联网络可自适应电极体积变化，维持界面连续性。

（关键性能验证）
通过对比实验证实NMGPE的优越性能：
- 循环稳定性：在1C倍率、45℃条件下，NCM811||石墨电池循环924次后容量保持率82.1%，显著优于常规电解质（271次后保持率45.4%）
- 界面稳定性：XRD分析显示，新型电解质使正极表面LiF含量提升至界面总质量的65%，同时Li?N生成量增加3倍，形成更致密的保护层
- 机械性能：断裂伸长率可达420%，较传统凝胶电解质提升150%，有效缓解电极应力集中
- 安全性能：热重分析显示，在150℃以下无显著分解，热稳定性优于常规电解质20℃

（技术产业化潜力）
该研究成果在工程化应用方面具有显著优势：
1. 制备工艺兼容现有液态电解质生产线，无需重大设备改造
2. 凝胶电解质体系可保持液态电解质的柔韧性（玻璃化转变温度-30℃以下）
3. 氟化单体采用绿色合成路线，符合环保法规要求
4. 成本分析显示，规模化生产成本较进口固态电解质降低40%

（研究展望）
团队后续将重点突破以下方向：
1. 开发复合型氟化单体，进一步提升界面锂沉积效率
2. 探索纳米填料（如SiO?纳米管）的协同增强效应
3. 优化电解质与电极材料的界面接触，降低接触阻抗
4. 建立全生命周期性能预测模型，为产业化提供理论支撑

该研究为解决高镍正极材料界面稳定性难题提供了新思路，其开发的NMGPE技术平台可推广至钴酸锂、磷酸铁锂等多种体系，对推动动力电池向500Wh/kg能量密度目标迈进具有重要实践价值。相关成果已形成3项发明专利，并进入中试放大阶段。