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文 章 信 息
一种用于高能量密度锂金属电池的聚酰胺凝胶聚合物电解质与SiO2气凝胶的杂化材料
第一作者：张宇翔
通讯作者：穆道斌*
单位：北京理工大学，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院
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研 究 背 景
高能储能需求推动下，锂金属电池（LMBs）成为下一代优选，但锂枝晶生长、电解液易燃等问题制约其应用；凝胶聚合物电解质（GPEs）兼具液 / 固态电解质优势，是研究前沿，然现有 GPEs 存在离子导电性、机械强度与界面稳定性平衡难题，纳米填料易团聚且降低电池能量密度，Li+溶剂化结构调控机制亦不明晰。为此，本文聚焦 SiO2气凝胶杂化聚酰胺 GPE 的设计，探究其在高能 Li||NCM811 体系中对Li+传输、溶剂化结构及界面稳定性的调控作用，为高性能 GPEs 设计提供策略，助力高能 LMBs 实用化。
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文 章 简 介
近日，北京理工大学的穆道斌教授团队与中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院戴仲葭合作，在国际知名期刊Small上发表题为“A Polyamide Gel Polymer Electrolyte Hybridizing SiO2 Aerogel for High-Energy-Density Lithium Metal Batteries”的观点文章。该研究论文分析了现在常用的凝胶聚合物电解质在高能量密度锂金属电池中存在的离子导电性不足、固体电解质界面不稳定及锂枝晶生长等关键问题，同时报道了近期通过原位聚合将 SiO2气凝胶与聚（N,N'- 亚甲基双丙烯酰胺）（PMBA）复合构建 SiO2/PMBA 凝胶聚合物电解质，通过调控Li+传输与溶剂化结构、促进富含 Li3N 和 LiF 的稳定界面形成以解决此类问题的研究成果。
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本 文 要 点
要点一：SiO2/PMBA 凝胶聚合物电解质的设计与制备
通过原位聚合将高比表面积 SiO2气凝胶引入聚（N,N'- 亚甲基双丙烯酰胺）（PMBA）基体，构建复合凝胶聚合物电解质（SiO2/PMBA GPE）。SiO2气凝胶的多孔结构可破坏聚合物链规整排列、降低结晶度，同时通过与电解质组分的 Lewis 酸碱相互作用调控 Li⁺传输，赋予电解质优异的基础性能：室温离子电导率达 1.56 mS cm-1，锂离子迁移数为 0.74，电化学稳定窗口拓展至 4.81 V vs. Li/Li+，且热分解温度提升、拉伸强度增至 17.6 MPa，兼具良好的热稳定性、机械强度和尺寸稳定性。
图1. (a) 不同二氧化硅气凝胶填充量的SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质在室温下的离子电导率。(b) 不同二氧化硅气凝胶填充量的SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的线性扫描伏安曲线。(c、d)MBA单体、PMBA凝胶聚合物电解质及SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的拉曼光谱。(e) SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的表面SEM形貌图，插图为截面形貌。
要点二：Li+溶剂化结构调控与界面稳定性优化
图2. (a) PMBA与SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质随温度变化的离子电导率及阿伦尼乌斯拟合曲线。(b) 基于PMBA与SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的Li||Li对称电池在10 mV极化电压下的计时电流曲线，插图为极化前后的对应奈奎斯特图。(c) 三种复合体系的结合能。(d) PMBA凝胶聚合物电解质与(e) SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的溶剂化结构分析。(f) 采用NCM正极的PMBA与SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质电化学浮动测试结果。(g) HOMO能级的密度泛函理论计算结果。
图3. (a) 基于PMBA与SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的Li||Cu电池的锂沉积/剥离库仑效率。 (b) Li||Cu电池的的锂沉积/剥离循环伏安曲线。 (c) Li||Cu电池在0.5与1.0 mAh cm-2容量下的沉积锂形貌。 (d) 基于PMBA与SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的Li||Cu电池中铜箔表面锂成核与生长机理示意图。
SiO2气凝胶通过 Lewis 酸碱作用与 PF6-配位，将传统 PMBA GPE 的溶剂分离离子对（SSIP）主导的溶剂化结构，重构为接触离子对（CIP）/ 聚集体（AGG）主导的结构。该结构不仅通过固定阴离子提升锂离子迁移数、降低离子传输活化能，还促进电解质与锂金属阳极间形成富含 Li3N（高离子导电性）和 LiF（高化学稳定性与机械刚性）的无机 - rich SEI 层，有效抑制锂枝晶生长，同时减少电极 / 电解质界面副反应。
要点三：电池体系的电化学性能提升
图4. (a) 基于PMBA与SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的Li||Li电池的恒电流循环曲线。 (b) 基于PMBA与SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的Li||Li电池的塔菲尔曲线。 (c) 基于SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的Li||Li电池在不同循环周期下的电化学阻抗谱。 (d) Li||Li对称电池在不同循环周期下的阻抗演变。 (e) 不同电解质中循环后锂负极表面SEI膜的F 1s、(f) O 1s及(g) N 1s XPS能谱。 (h) PMBA与SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质中Li+溶剂化鞘层结构示意图及其对锂沉积行为与界面特性的影响机制。
图5. (a) 基于SiO2/PMBA与PMBA凝胶聚合物电解质的Li||LFP电池在1C倍率下的循环性能。(b) 基于SiO2/PMBA与PMBA凝胶聚合物电解质的Li||NCM811电池在1C倍率下的循环性能。(c) PMBA凝胶聚合物电解质及(d) SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质组装的Li||NCM811电池在1C倍率下的电压曲线。(e) 基于SiO2/PMBA凝胶聚合物电解质的Li||NCM811电池倍率性能。(f) PMBA基与(g) SiO2/PMBA基Li||NCM811电池充电过程中的原位电化学阻抗弛豫时间分布(DRT)分析 (h, i) 全循环过程的等高线图。 (j) 本研究与近年来凝胶聚合物电解质基Li||NCM811电池典型文献性能对比。
图6. (a) 石墨||磷酸铁锂软包电池在C/3倍率下的循环性能及(b)对应电压曲线。(a)图插图为柔性软包电池在不同机械变形状态下点亮LED灯的照片（测试条件：平整状态、多次弯折状态及切割状态，均处于通电工况）。 (c) 能量密度达453.87 Wh kg-1的~5.6 Ah锂金属||NCM811软包电池层状结构示意图。 (d) 锂金属||NCM811软包电池在4.4V充电截止电压下的循环性能（首圈0.1C充放电活化，后续0.2C循环）。插图为软包电池实物照片。 (e) 首圈(0.1C化成)与第二圈(0.2C循环)对应的电压曲线。
该电解质与锂金属阳极、正极均表现出优异兼容性：Li||Cu 半电池在 1.0 mA cm-2下循环 300 次平均库仑效率达 97.7%；Li||Li 对称电池在 0.1 mA cm-2下稳定循环超 4000 h，过电位维持在～20 mV；Li||NCM811 全电池在 1 C 下初始放电容量为 171.6 mAh g-1，300 次循环后容量保持率达 90.6%，Li||LFP 全电池 800 次循环容量 retention 为 89.6%。基于该电解质的 Li||NCM811 软包电池能量密度高达 453.87 Wh kg-1，且兼具良好的柔韧性（弯曲、切割状态下仍可稳定工作）和安全性，无电解液泄漏与热失控风险。
要点四：应用前景与前瞻
SiO2/PMBA GPE 通过 “无机填料调控溶剂化结构 - 优化界面相 - 提升综合性能” 的协同设计，解决了传统凝胶聚合物电解质（GPEs）离子电导率低、界面稳定性差、机械强度不足等痛点。该设计为高能量密度锂金属电池提供了兼具安全性与实用性的电解质解决方案，尤其适用于柔性电子和高功率储能场景。未来可进一步优化 SiO2气凝胶负载量、拓展电池工作温度范围，推动高能量密度锂金属电池的商业化应用。
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文 章 链 接
A Polyamide Gel Polymer Electrolyte Hybridizing SiO2 Aerogel for High-Energy-Density Lithium Metal Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202512649
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通 讯 作 者 简 介
穆道斌 教授：北京理工大学材料学院博士生导师。研究方向主要涉及高能量密度锂离子电池电极材料及技术、固态电解质及电池固态化、电池热安全、理论计算及模拟等。讲授课程包括本科生《材料物理与化学》《能源材料与器件综合实验》、硕士生《材料电化学原理与技术》及博士生《能源与环境材料技术进展》等。主持国家自然科学基金面上项目、NSAF项目、北京市自然科学基金项目、国家重点研发计划、中美政府间国际科技创新合作重点专项、“973”计划、“十三五”装备预研项目等多项课题。在Angewandte Chemie International Edition、Energy Storage Materials 、Materials Today等国际知名期刊发表SCI收录论文100余篇，授权发明专利30余项。
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