基于新型骨架原位聚合构建复合凝胶聚合物电解质实现高温锂金属电池性能突破

为解决固态锂金属电池(LMBs)界面接触差、离子电导率低等问题，研究人员通过原位热聚合策略，以乙烯基碳酸乙烯酯(VEC)为主聚合物，结合PVDF-HFP/LLZTO改性玻璃纤维膜(GF)骨架，制备出复合凝胶聚合物电解质(CPE-3)。该电解质在30°C下离子电导率达1.70 mS cm?1 ，Li|CPE-3|Li对称电池实现1000小时稳定循环，LiFePO4 |CPE-3|Li电池在55°C下500次循环容量保持率达99.63%。研究证实LLZTO表面路易斯酸位点可锚定TFSI? 、促进锂盐解离，并形成富LiF的SEI层，为高性能高温锂电池提供新思路。

　　

研究背景
锂金属电池(LMBs)因其理论能量密度高达3860 mAh g^?1
被视为下一代储能技术的"圣杯"，但液态电解质的易燃性和锂枝晶生长问题长期制约其发展。固态电解质虽能提升安全性，却面临"固-固"界面接触差、室温离子电导率低等挑战。凝胶聚合物电解质(GPEs)作为折中方案，兼具液态电解质的高离子传导性和固态电解质的安全性，但机械强度不足、高温稳定性差仍是瓶颈。如何通过材料设计同时解决界面接触、离子传导和机械强度三大难题，成为该领域的研究焦点。

研究方法
研究团队采用多尺度调控策略：①以玻璃纤维膜(GF)为基底，通过PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物）与LLZTO（锂镧锆钽氧化物）复合构建三维增强骨架；②以VEC（乙烯基碳酸乙烯酯）为单体，通过原位热聚合形成凝胶网络；③利用LLZTO表面路易斯酸位点促进锂盐解离；④通过对称电池和LiFePO₄
全电池测试评估电化学性能。

研究结果
Characteristics of CPE membranes
阻抗测试显示，含10 wt% LLZTO的CPE-3电解质室温离子电导率达1.70 mS cm^?1
，较空白组提升300%。XPS分析证实LLZTO表面Zr⁴⁺
路易斯酸位点可锚定TFSI^?
阴离子，降低离子缔合能，使锂离子迁移数提升至0.48。

Electrochemical stability
线性扫描伏安测试表明CPE-3电化学窗口达5 V（vs Li⁺
/Li），可兼容高压正极。Li|CPE-3|Li对称电池在0.1 mA cm^?2
下稳定循环1000小时，极化电压仅15 mV，显示优异的界面稳定性。

Battery performance
55°C高温下，LiFePO₄
|CPE-3|Li电池在1C倍率下初始放电比容量达160.3 mAh g^?1
，500次循环后容量保持率99.63%。TEM观测发现负极界面形成厚度均匀的LiF-rich SEI层，有效抑制锂枝晶穿刺。

结论与意义
该研究通过"骨架增强-原位聚合-界面调控"三重协同策略，创制出兼具高离子电导率（1.70 mS cm^?1
）和超强界面稳定性（1000小时循环）的复合凝胶电解质。其创新性体现在：①PVDF-HFP/LLZTO改性GF骨架提供机械支撑与离子传输通道；②VEC聚合网络实现电极-电解质紧密接触；③LLZTO表面化学调控促进锂离子解离/传输。这项工作为发展高安全、长寿命的高温锂金属电池提供了普适性设计范式，被《Materials Research Bulletin》作为重点论文报道。特别值得注意的是，该电解质体系在55°C高温下仍保持近100%的容量保持率，这对电动汽车等高温应用场景具有重要实践价值。