南开大学李国然教授：采用多功能填料原位制备有机-无机共价交联电解质用于高性能固态锂金属电池- 大数跨境

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南开大学李国然教授：采用多功能填料原位制备有机-无机共价交联电解质用于高性能固态锂金属电池

科学材料站

2025-10-24

导读：南开大学李国然教授：采用多功能填料原位制备有机-无机共价交联电解质用于高性能固态锂金属电池

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文章信息

通过多功能填料原位制备有机-无机共价交联电解质用于高性能固态锂金属电池

第一作者：王盼龙

通讯作者：李国然*

单位：南开大学材料科学与工程学院，沧州中孚新能源材料有限公司

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研究背景

锂金属电池因其高能量密度，被认为是极具潜力的下一代电池体系之一。传统液态电解液在机械冲击或过充等条件下可能引发电解液泄漏及火灾风险。因此，采用不易燃的固态电解质替代传统液态电解液显得尤为必要。典型的无机固态电解质（LLZO、LLZTO和 LATP等）具有较高的杨氏模量，能够抑制锂枝晶的生长。然而，它们与电极之间的界面接触不足。聚氧化乙烯（PEO）、聚丙烯腈（PAN）以及聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）等聚合物固态电解质具有出色的柔韧性、可加工性，但离子电导率较低，机械性能较差。由无机填料和聚合物构建的复合固态电解质有望结合两者的优点。无机填料不仅能增强整体机械性能，还能通过降低聚合物结晶度来有效促进锂离子传输。然而，复合固态电解质仍面临填料团聚、电极电解质界面存在空隙等问题，影响力学性能和离子传输效率。因此，提升无机填料在聚合物基体中的分散性，并优化电极-电解质界面，对提升电池性能至关重要。

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文章简介

近日，南开大学李国然教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Organic–Inorganic Covalently Crosslinked Electrolyte Fabricated In Situ via Multifunctional Fillers for High-Performance Solid-State Lithium Metal Batteries”的最新研究。该研究通过用KH560功能化的InF₃填料（KH560@InF₃）与DOL开环共聚合反应原位制备了一种有机-无机共价交联电解质（KI-PDOL），综合提升电解质机械性能、离子传输和界面稳定性。

图1. a) 有机-无机共价交联复合电解质的示意图和 b) 合成过程

图2. a、c）KI-PDOL 和 b、d）I-PDOL 的SEM图像。e）L-PDOL、I-PDOL、KI-PDOL 和 DOL 的FTIR光谱。f）L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 的DSC曲线。g）KI-PDOL、h）I-PDOL 和 i）L-PDOL的AFM图像。

图3. a) 使用 KI-PDOL 电解质的电池在不同温度下的EIS图谱。b) 不同温度下的离子电导率。c) 离子电导率和活化能。d–f) 使用 L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 的电池的锂离子迁移数。g) L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 的LSV曲线。h) L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 的 Li/LFP 电池的CV曲线。i) 使用 KI-PDOL 的 Li/LFP 电池的前三次循环的CV曲线。

图4. a) L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 组装的 Li/Li 对称电池锂沉积/剥离曲线。b) L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 组装的 Li/Li 对称电池在不同电流密度下的倍率性能。c) L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL的Tafel曲线。d) 以 L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 组装的循环 Li/Li 对称电池的EIS谱图。e) L-PDOL、f) I-PDOL 和 g) KI-PDOL 组装的 Li/LFP 电池循环后的锂金属SEM图像。

图5. a) L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 的 Li/LFP 电池在 1C 下的循环性能。 b) 不同循环次数下 Li/KI-PDOL/LFP 电池在 1C 下的充放电曲线。 c) L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 的 Li/LFP 电池在 5C 下的循环性能。 d) L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 的 Li/LFP 电池在 10C 下的循环性能。 e) Li/KI-PDOL/LFP 与其他工作的比较。 f) L-PDOL、I-PDOL 和 KI-PDOL 的 Li/LFP 电池的倍率性能。 g) Li/KI-PDOL/LFP 电池在不同电流密度下的充放电曲线。

图6. KI-PDOL 、I-PDOL 和 L-PDOL 的优势对比。

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本文要点

要点一：增强的无机填料分散性与机械性能

SEM图像显示，KI-PDOL中填料分散均匀，而I-PDOL中则表现出明显的填料团聚，表明KH560能够提升无机填料与聚合物基质的相容性，从而促进了填料在聚合物基体中的分散性。此外，由于均匀分散的无机填料与有机-无机共价交联结构，KI-PDOL表现出更优异的机械性能，这有利于抑制锂枝晶的生长。

要点二：优异的电化学性能

KI-PDOL 在 30°C 时的离子电导率为 2.1×10⁻⁴ S cm⁻¹，高于 I-PDOL（1.29×10⁻⁴ S cm⁻¹）和 L-PDOL（0.68×10⁻⁴ S cm⁻¹）。这是因为均匀分散的填料与交联结构共同抑制了聚合物链的结晶，DSC结果表明，KI-PDOL为完全无定形非晶结构，有利于提升离子电导率。此外，KI-PDOL 表现出显著增强的锂离子迁移数。这种提升可归因于其交联网络有效限制了大尺寸阴离子的迁移。此外，通过线性扫描伏安法评估其电化学稳定性，KI-PDOL 表现出增强的氧化稳定性。

要点三：稳定的电极电解质界面

为了探究复合固体电解质对金属锂阳极的影响，采用Li/Li 对称电池进行了锂沉积/剥离循环实验。采用 KI-PDOL 电解质组装的 Li/Li 对称电池表现出优异的循环稳定性，在 1400 小时内稳定运行，未出现极化不稳定或短路现象。相比之下，使用 L-PDOL 和 I-PDOL 电解质的电池分别在运行 200 小时和 700 小时后电压显著升高。循环后的EIS测试表明，KI-PDOL具有更低的界面阻抗与电荷转移阻抗，反映出更稳定的电极电解质界面和更快的电荷转移过程。SEM图像显示L-PDOL和I-PDOL存在明显的裂纹和枝晶，而KI-PDOL则呈现致密均匀的锂沉积。为进一步评估其电化学性能，我们组装了Li/LFP全电池进行测试。采用KI-PDOL的电池在1C稳定循环800周后，仍保持121.5 mAh g⁻¹ 的容量，容量保持率达87.2%。即使在10C高倍率下，仍能稳定循环800周并保持83.6%的容量保持率。展现出优异的循环稳定性。

要点四：前瞻

KH560接枝改性提高了与 PDOL 基体的相容性，从而促进填料均匀分散。此外，KH560@InF₃ 充当原位聚合引发剂，实现了紧密的电极-电解质界面。同时，有机-无机共价交联结构增强机械性能和离子电导率，此外，InF₃诱导形成LiIn/LiF 复合SEI，均匀Li⁺通量和电场分布。这些效应共同促进了锂的均匀沉积。这种有机-无机共价交联电解质实现了机械强度、离子电导率和界面电化学稳定性三重协同增强，为开发实用的固态锂金属电池提供了一种可行的方法。

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文章链接

Organic–Inorganic Covalently Crosslinked Electrolyte Fabricated In Situ via Multifunctional Fillers for High-Performance Solid-State Lithium Metal Batteries

https://doi.org/10.1002/adfm.202523781

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通讯作者简介

李国然，南开大学材料科学与工程学院，教授，博士生导师，研究方向为新能源材料和器件，主要包括二次电池材料及新型光电材料，已主持和参与国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、天津市自然科学基金、企业研发项目等多个二十余项。发表SCI论文170余篇，被引用16000余次，H-index 71；获中外发明专利授权12项；参与翻译专著1部。荣获天津市技术发明二等奖一项。Elsevier 2020中国高被引学者。