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工 作 背 景
锂金属电池（LMBs）因其高理论容量、低氧化还原电位和高能量密度等优点，在电动汽车等高需求应用领域展现出巨大潜力。但对于LMBs而言，锂枝晶的形成和生长不仅会降低电池容量，还可能引发内部短路，导致热失控，给电池安全带来巨大挑战。凝胶聚合物电解质（GPEs）通常兼具固体聚合物的高安全性与液态电解质的高室温离子电导率优势，同时保持良好的电极相容性。然而，聚合物基体固有的可燃性仍是一个紧迫的安全问题。此外，通过抑制枝晶形成和防止锂枝晶穿透隔膜来强化LMBs的安全性能至关重要。为了解决这些问题，河北科技大学王鹏副教授提出了一种卤素诱导富阴离子溶剂化结构的凝胶聚合物电解质（PEI-I/P@P/P）。这种电解质通过同轴静电纺丝和电解液浸泡制备的：以聚丙烯腈（PAN）和聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）为壳层，聚乙烯亚胺-碘复合物（PEI-I）和聚丙烯腈（PAN）为芯。纳米纤维不仅抑制了高温变形和燃烧，同时缓释的PEI-I促进了阴离子主导的分解，使得在负极上形成富含无机物、机械稳定的固体电解质界面（SEI）。这种GPE在锂金属电池中展现了优异的电化学性能，包括高锂离子迁移数和良好的电化学稳定性，显著提高了电池的安全性和循环寿命。该论文以“Halogen-Induced Anion Rich Solvation Structure Enables High Li+ Transference Number of Gel Polymer Electrolyte for Durable Lithium Metal Batteries”为题，发表在Advanced Energy Materials上。
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文 章 链 接
P. Wang, H. Xie, Y. Liu, et al. “Halogen-Induced Anion-Rich Solvation Structure Enables High Li+ Transference Number of Gel Polymer Electrolyte for Durable Lithium Metal Batteries.” Advanced Energy Materials (2026): e06710.
https://doi.org/10.1002/aenm.202506710
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研 究 要 点
1.新型的卤化物
聚乙烯亚胺中的-NH2基团通过静电吸附作用吸附碘。形成的聚乙烯亚胺-碘聚合物（PEI-I）能有效减缓锂阳极的腐蚀。
2. 阴离子主导的SEI层形成
PEI-I削弱了锂离子与溶剂的配位作用，并减少了溶剂分离的离子对（SSIPs）；适量的接触离子对（CIPs）和离子聚集体（AGGs）使SEI中形成更多LiF，从而增强了SEI的机械性能。
3.优异的电化学性能
PEI-I/P@P/P GPE展现出优异的电化学性能。LFP||Li电池展现出优异的循环稳定性，在5C倍率下经3000次循环后仍保持97%的容量。该方案实现了安全、高性能且长寿命的锂金属电池。
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图 文 介 绍
图1展示了P-I/P@P/P和P@P/P纤维膜的核壳结构及力学性能
图1 (a) P@P/P 和 (b) P-I/P@P/P 纤维膜的SEM图像；(c) 蚀刻处理和 (d) 蚀刻处理后 P-I/P@P/P 纤维膜的元素分布图谱；(e) 蚀刻前后 P-I/P@P/P 纤维膜中 C/N/F 及 (f) I 元素含量分析；(g) 蚀刻前后 P-I/P@P/P 纤维膜的XPS全谱；(h) P-I/P@P/P 纤维膜在不同蚀刻时间后 N 与 I 元素的原子比；(i) P-I/P@P/P 纤维膜经电解液浸泡不同时间后的紫外-可见吸收光谱；(j) P-I/P@P/P 与 P@P/P 纤维膜的应力-应变曲线。
图2展示了P-I/P@P/P GPE对溶剂化结构的调控
图2 a) DEC、DMC、EC、FEC、LiPF6、PEI、I3-及PEI-I复合物的计算HOMO-LUMO能级；(b) P-I/P@P/P和P@P/P GPE的拉曼光谱及(c) 7Li NMR谱；(d) Li+与EC、DEC、DMC、FEC及PEI-I的优化结合构型及(e) 计算结合能；(f) PF6-与EC、DEC、DMC、FEC及PEI-I的优化结合构型及(g) 计算结合能；(h) P-I/P@P/P和(k) P@P/P GPE在LMB中的作用机理示意图；(i) P-I/P@P/P和(l) P@P/P GPE的分子动力学模拟快照；(j) P-I/P@P/P和(m) P@P/P GPE的径向分布函数与配位数
图3展示了P-I/P@P/P GPE调控锂负极的形貌
图3 (a, c) P@P/P及(b, d) P-I/P@P/P凝胶聚合物电解质循环50次后锂沉积形貌的表面及截面扫描电子显微镜图像；采用(e) P@P/P和(f) P-I/P@P/P凝胶聚合物电解质的锂对称电池中锂金属沉积的原位光学图像；采用P@P/P及P-I/P@P/P凝胶聚合物电解质的锂对称电池循环10次后，用于锂金属固体电解质界面组分分析的高分辨(g) I 3d谱、(h) N 1s谱及(i) Li 1s谱。
图4展示了P-I/P@P/P GPE优异的电化学性能
图4 (a) P-I/P@P/P凝胶聚合物电解质中锂对称电池的计时电流曲线（插图：计时电流测试前后的电化学阻抗谱变化）；(b) P@P/P和P-I/P@P/P凝胶聚合物电解质的离子电导率；不同凝胶聚合物电解质中锂对称电池在(c) 1 mA cm-2和(d) 5 mA cm-2电流密度下的循环性能；(e) 不同凝胶聚合物电解质中锂对称电池首次循环后的电化学阻抗谱对比；(f) 不同凝胶聚合物电解质中锂对称电池的界面活化能垒；(g) 不同凝胶聚合物电解质中锂对称电池的塔菲尔曲线；(h) 通过组装锂铜电池测试的不同凝胶聚合物电解质中铜箔表面的锂成核过电位；(i) 不同凝胶聚合物电解质中锂铜电池的循环伏安曲线及(j) 库伦效率计算结果。
图5展示了P-I/P@P/P GPE优异的循环性能
图5 (a) P-I/P@P/P和(b) P@P/P凝胶聚合物电解质中Li||LiFePO4电池的循环伏安曲线；(c) 1C倍率下不同凝胶聚合物电解质中Li||LiFePO4电池的循环性能及(d) 恒电流充放电曲线；(e) 不同凝胶聚合物电解质中Li||LiFePO4电池的倍率性能；(f) 5C倍率下不同凝胶聚合物电解质中Li||LiFePO4电池的循环性能；(g) Li||LiFePO4电池采用先进凝胶聚合物电解质在高倍率（≥3C）下的循环性能对比；(h) 高正极负载量（16.5 mg cm-2）条件下，2C倍率时不同凝胶聚合物电解质中Li||LiFePO4电池的循环性能；(i) 1C倍率下不同凝胶聚合物电解质中Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2电池的循环性能。
图6展示了P-I/P@P/P GPE阻燃性及适用性
图6 (a) P-I/P@P/P与P@P/P纤维膜的热耐受性测试、(b) 阻燃性测试及(c) 极限氧指数测试；(d) LiFePO4||石墨(LFP||Gr)软包电池在P-I/P@P/P凝胶聚合物电解质中于1C倍率下的循环性能及(e) 相应的恒电流充放电曲线。
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研 究 结 论
总而言之，本研究以P-I/P@P/P电纺纤维膜为前驱体，通过浸泡电解液制备了适用于锂金属电池（LMBs）的阻燃型凝胶聚合物电解质（GPE）。缓释至电解液中的PEII减弱了溶剂分子与Li+之间的配位作用，形成独特的溶剂化结构。该结构不仅提升了Li+传输动力学，而且促进了富含无机组分的固体电解质界面（SEI）层的形成，从而显著增强了锂金属负极的稳定性。因此，基于PI/P@P/P GPE的Li||Li对称电池在5 mA cm-2下实现了长达1000小时的高度可逆锂沉积行为，并使得Li||LiFePO4全电池在5C倍率下循环3000次后容量保持率高达97%。本工作为锂金属电池的实际应用开辟了道路，也为未来储能技术中开发非液态、高安全性电解质体系提供了新思路。
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第 一 作 者 简 介
王鹏，河北科技大学材料科学与工程学院副教授，从事锂硫电池正极材料、锂金属电池阻燃电解质材料相关工作研究。以第一或通讯作者身份（含共同）在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett.、Energy Storage Mater.、Carbon Energy等期刊发表SCI论文20余篇。
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通 讯 作 者 简 介
洪树，天津力神电池股份有限公司力神电池先进技术研究院院长，从事先进电池材料设计开发、全极耳圆柱电芯等先进技术的研发与应用。以第一或通讯作者身份（含共同）在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等期刊发表SCI论文20余篇。
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