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研 究 背 景
与高比能正极相匹配的锂金属电池可实现高能量密度，但在实际运行中，锂金属负极与电解质间持续发生的副反应会带来大量热量累积，导致电解液挥发、枝晶生长、SEI膜破裂等风险，极易诱发热失控。因此，如何构建一种既能在常温高效运行，又能在热滥用条件下主动抑制反应、提升安全性的电解质体系，是目前锂电池安全研究的重要挑战。华中科技大学郭新/魏璐教授团队在 Adv. Funct. Mater. 上发表的最新研究提出了一种基于“温度驱动离子-偶极竞争”的新型电解质调控思路，通过构造 LiDFOB 的聚五氟丙烯丙烯酸酯（PPFA）涂层，使锂金属表面具备类似“分子温控阀”的自适应保护能力，实现同时兼顾高电化学性能与高安全的电池体系。
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研 究 核 心
本研究提出一种基于温度驱动的离子-偶极竞争机制的智能电解质设计：通过在锂金属负极上构筑富含 LiDFOB 的 PPFA 聚合涂层，使 DFOB⁻ 阴离子在常温和高温条件下表现出完全不同的响应行为。常温下，PPFA 对 DFOB⁻ 具有更强结合能力，使阴离子被“钉扎”在界面并构筑富含 LiF / B–O–F 的高质量 SEI，从而减少副反应、提升电池循环性能；而在热滥用条件下（如 ≥60 °C），DOL 溶剂与 DFOB⁻ 的结合更占优势，使阴离子释放并触发 DOL 原位环开聚合，完成液态到固态转变，大幅降低焦耳热并主动阻断热失控进程，实现从常温保护到高温自救的自适应切换。
基于该机制，电池表现出显著改善的电化学性能与安全性能。常温下，PPFA–LiDFOB 涂层能形成更薄、更致密、更稳定的SEI，使对称电池超过 800 小时运行仍保持低极化；Li||LiFePO₄ 电池在 30 °C 条件下以 1C 循环 500 次仍保持 78.3% 容量，并在 60 °C 下也具备良好循环稳定性。更重要的是，1.5 Ah 软包电池在 ARC 测试中展现出极其优异的热失控阈值：自发升温起始温度从传统体系的 66 °C 提升到 108 °C，而热失控起始温度更高达 286 °C，几乎是普通体系的 2.5 倍。同时，在针刺等极端安全测试中，电池不仅未发生冒烟或明火，还能够继续驱动 LED 正常点亮，热释放量更较对照组降低约 34 倍，充分体现了体系在电池尺度上的工程化应用潜力。
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研 究 靓 点
(1) “主动安全”机制：电解质在热滥用条件下自动触发电解质聚合，能在热失控发生前主动抑制反应，而非传统单纯阻燃或被动防护。
(2) 分子层面实现界面功能自适应调控：同一体系在不同温度下自动切换角色-常温提升 SEI 质量，高温快速抑制热失控，解决性能与安全难以兼顾的问题。
(3) 循环与安全双提升，指标领先：1.5 Ah 软包热失控起始温度高达 286 °C，远超传统体系；同时电化学稳定性均显著改善，具备实际工程应用潜力。
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图 文 导 读
图1. a) 无保护的金属锂电池中热失控过程的示意图。b) 智能温度调节系统提升电池安全性的工作原理。
图2. 离子-偶极相互作用的理论和实验验证以及智能温度调节系统的构建。a) 不同聚合物与−阴离子的结合能。c) 比较了DFOB−与PPFA和DOL在30~70℃的结合能；d) 负载LiDFOB的PPFA浸泡后，DOL在60℃随时间变化的拉曼光谱。e) 负载LiDFOB的PPFA在30℃和60℃下浸泡12 h后DOL的1H-核磁共振谱。f) 表面和g) 包覆有LiDFOB的PPFA的金属锂的横截面扫描电子显微镜图像。 h) 锂金属表面负载LiDFOB的PPFA的拉曼光谱。
图3. 智能调节系统可协同增强电化学稳定性和热安全性。b-d) 在b，e)裸Li，c，f)PPFA@Li上沉积Li的横截面扫描电子显微镜图像，以及d，g) 60°C循环10次后Li||Li对称电池中-LiDFOB@Li的横截面扫描电子显微镜图像。h) 在不同锂金属阳极的对称电池中，60°C循环10次后，SEI无机组分中LiF、Li2O和Li2CO3的相对组成。“Li(PPFALiDFOB-SEI)+LE”、“Li(PPFA-SEI)+LE”、“Li(LE-SEI)+LE”、“Li(LE-SEI)+PPFA+LE”、“Li(LE-SEI)+PPFA-LiDFOB+LE”、“Li(PPFA-LiDFOB体系)+LE”。
图4. 具有智能温度调节系统的Li||LiFePO4电池的电化学性能。b) PPFA-LiDFOB体系的Li|LiFePO4电池在1C和30°C下的充放电曲线；c) 不同Li金属负极的Li||LiFePO4电池在1C和60°C下的循环性能；d) 不同锂金属负极的Li||LiFePO4电池在1C和60°C下第14次循环的充放电曲线。e) PPFA-LiDFOB体系的Li||LiFePO4电池在30℃和60°C循环10次后的电化学阻抗谱。 f) 采用 PPFA-LiDFOB 系统的 Li||LiFePO4电池在 0.5 C 下，温度从60 °C逐步升高至100 °C的循环性能。
图5. 锂金属软包电池的热安全分析与比较。a) 采用 ARC 测量满电的 1.5 Ah Li||LiFePO4软包电池的热失控温度曲线和温度依赖性 dT/dt 曲线。b) 已发表文献和本工作中 Li||LiFePO4软包电池的热失控温度比较。c) 采用 PPFA-LiDFOB 系统的 Li||LiFePO4软包电池的针刺测试。d) 采用 PPFA-LiDFOB 系统的 Li||LiFePO4软包电池在针刺过程中的温度和电压曲线。
总体而言，该研究将“温度依赖分子相互作用”引入锂金属电池热管理领域，实现了从界面结构构筑到电解质相变响应的完整逻辑闭环，打破了传统“性能与安全难两全”的被动保护模式。随着对不同阴离子、不同聚合物以及高电压正极体系兼容性的进一步研究，该策略有望成为新一代高比能、长寿命、极端环境友好型锂金属电池的重要解决方案，为电池从材料层面走向主动安全提供了新的设计范式。
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作 者 信 息
王宇豪 第一作者，华中科技大学材料科学与工程学院2023级硕士研究生。研究方向：温度响应型电解质与高安全固态电池。
李志勇 共同一作，华中科技大学材料科学与工程学院2022级博士研究生。研究方向：聚合物基电解质与固态电池。在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., J. Energy Chem., 科学通报等期刊发表多篇论文。
魏璐 华中科技大学副教授，博导。硕博毕业于西北工业大学，主要从事碳/碳复合材料基体改性技术与高温抗氧化涂层技术研究（导师：李贺军教授，中国工程院院士），期间（2008-09至2012-09）赴美国佐治亚理工学院进行博士联合培养。魏璐于2015年获得陕西省优秀博士学位论文，2019年入选华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室“青年优材计划”。目前主要从事化学多样性和多功能先进碳材料的可控制备，及其在电化学能量存储领域的应用研究。以第一或通讯作者身份在Mater. Today、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano-Micro Lett.、Energy Storage Mater.、Nano Energy等期刊发表SCI论文50余篇，6篇入选ESI高被引论文；受邀参与编写英文著作三部：《The World Scientific Handbook of Energy》、《Energy Storage》、《Production of Materials from Sustainable Biomass Resources》（获Springer Nature“中国新发展奖”）；作为第一发明人实现专利技术成果转化2项，主持多项国家级和省部级科研项目。
郭新 华中科技大学二级教授、国家特聘专家、中国固态离子学会理事、 “Solid State Ionics”和“National Science Open” 期刊编委、国际固态离子学会（International Society for Solid State Ionics）学术奖评选委员会五名委员之一。2002年至2012年，任德国于利希研究中心（Research Center Juelich, Germany）终身高级研究员；1998年至2002年，作为客座研究员在德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany）从事研究工作。2005年，获美国陶瓷学会Ross Coffin Purdy Award。
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课 题 组 介 绍
华中科技大学材料科学与工程学院“固态离子学实验室”以固体材料中的离子传导为科学基础，以此在信息领域研究类脑芯片及智能感知系统，在能源领域研究固体电解质及固态电池，在环境领域研究气体传感器及仿生智能嗅觉。实验室具有国际一流的实验条件，温馨的学习环境，充足的实验经费。课题组网站：http://hust-ssi.cn
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文 章 链 接
https://doi.org/10.1002/adfm.202524123
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