合肥工业大学张卫新教授课题组，AFM 观点：集成多相聚合物电解质提升高镍三元固态锂金属电池的双侧界面相容性

第一作者：邹雷

通讯作者：张卫新、卢剑伟单位：合肥工业大学

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近日，合肥工业大学张卫新教授课题组，在国际知名期刊 Advanced Functional Materials 上发表题为“ Integrated multiphase polymer electrolyte enhancesbilateral interface compatibility in high nickel ternary solid-state lithium metal batteries”的研究论文。

该研究通过将聚环氧乙烷（PEO）基复合聚合物电解质（CPEs）与腈基凝胶电解质（GPEs）两种界面性能互补的电解质体系进行结构集成，制备了一种具备双侧界面相容性的多相聚合物电解质。其中，高极性的腈基 GPEs 赋予电解质整体更宽的电化学窗口，使其与高镍三元正极匹配时展现出优异的抗氧化能力。结合能计算则证实，PEO 基体可与腈基分子形成稳定结合，以抑制其与锂金属间的副反应，在缓解锂负极腐蚀的同时提升电解质的还原稳定性。此外，为强化多相聚合物电解质的离子传输性能，引入经表面改性的 Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃（LATP）纳米填料，通过与聚合物链的“桥联”反应实现均匀分散，协同聚合物网络构建高效的Li⁺传输通道（图1）。结果表明，所组装的LiNi_0.9Co_0.05Mn_0.05O₂| Li 电池可在室温、0.3 C 倍率下提供高达 225.1 mAh g^-1 的初始放电比容量，经过 150次循环后容量保持率高达 87.9%。

PEO 基 CPEs 由聚合物基体聚苯并咪唑（ PBI）、PEO、无机固态电解质填料 Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃（LATP）与锂盐 LiDFOB 构成。聚合物基体中，不溶于腈基溶剂的 PBI组分作为支撑骨架相，维持整个聚合物电解质的机械性能；PEO 组分则通过溶胀法吸收腈基电解液，再进行热固化处理以集成两种聚合物体系，从而构建可供 Li⁺传输的离子导体相。无机填料 LATP 事先经过硅烷偶联剂CPTMS 处理，其表面接枝的氯丙基可与 PBI 链中咪唑环上的亚氨基进行“桥联”反应，以实现纳米填料的均匀分散。同时有序排列的 LATP填料可有效利用其表面的路易斯酸位点，促进锂盐解离并限制锂盐阴离子的迁移，从而与离子传导相协同构建均匀、连续、高效的 Li⁺传导通道。

腈基 GPEs 由腈基主体乙腈（AN）、丁二腈（SN），交联组分碳酸亚乙烯酯（VC）、季戊四醇四丙烯酸酯（PETEA）、锂盐 LiTFSI 和热引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）构成。AN作为有机溶剂用于提升锂盐 LiTFSI 溶解度，而 SN 独特的塑晶结构可促进 Li⁺快速迁移。

此外，密度泛函理论（DFT）计算揭示 AN 与 SN 具备较低的最高占据分子轨道（HOMO）能级，这些腈基分子结构中强极性的腈基基团及高介电常数特性可赋予电解质体系优异的抗氧化性能。VC 与 PETEA 在加热条件与引发剂 AIBN 的催化下，可通过碳碳双键间的连接实现交联聚合，促使腈基电解质由液相转化为凝胶相。DFT 计算及模拟结果表明，VC- PETEA 共聚网络可参与离子导体相的形成，通过与 AN/SN 及纳米填料间的协同作用，该网络促进了多相聚合物电解质内部高效 Li⁺传输通道的构建，从而使腈基 GPEs 体系展现出增强的离子传导动力学。

PEO 基 CPEs 在吸收腈基电解液后通过原位热固化实现其与腈基 GPEs 的结构集成，所制备的多相聚合物电解质膜厚度仅为 14 μm，并具备 5.7 MPa 的拉伸强度。同时，PBI与 AN 组分的不燃性也赋予了该多相聚合物电解质理想的阻燃性能，有利于提升所组装电池的安全性。在界面性能方面，LSV 测试表明具有较低氧化还原电位的 PEO 基 CPEs 难以适配高工作电压的高镍三元正极，而与强极性腈基 GPEs 的集成有效提升了其电化学窗口，表现出良好的抗氧化性能。另一方面，CV 循环测试表明，腈基 GPEs 与锂金属负极间具有强反应性，但在与 PEO 基CPEs 集成后，DFT 计算证实腈基分子倾向于与 PEO 链段结合，可以缓解其对锂金属的腐蚀，从而有效提升电解质整体的对锂稳定性。因此，多相聚合物电解质的结构集成可同时实现双重优势：既保持了与高电压高镍三元正极优异的界面相容性，又克服了腈基 GPEs 自身对锂金属负极的不稳定性。利用两种聚合物体系在界面性能上的互补协同效应，所制备的多相聚合物电解质在与正负极的界面相容性上得到了双向提升，也使其在高镍三元固态锂金属电池的应用中展现出显著的优势。

所制备的多相聚合物电解质膜与高电压三元正极材料 LiNi_0.9Co_0.05Mn_0.05O₂（NCM9055）表现出良好的兼容性，所组装的 NCM9055 | Li 扣式电池可在室温、0.3 C倍率下提供高达 225.1 mAh g^-1 的初始放电比容量，且在 150 次循环后容量保持率高达 87.9%。同体系的 NCM9055 | Li 软包电池也可在相同测试条件下输出 40 mAh 的放电容量。而采用石墨负极替换锂金属负极所组装的 NCM9055 | graphite 软包电池在室温、0.3 C 倍率下可输出 119 mAh 的放电容量，循环 50 圈后容量保持率仍有 80.1%。该多相聚合物电解质膜在安全性能方面也表现突出，所组装的 NCM9055 | graphite 软包电池在折叠、刺穿、剪切甚至燃烧的状况下依旧可保持 LED 灯亮起，反映了该多相聚合物电解质膜在实际应用中具有良好的柔韧性和安全性。

Integrated multiphase polymer electrolyte enhances bilateral interface compatibility in high nickel ternary solid-state lithium metal batteries

张卫新，合肥工业大学化学与化工学院二级教授，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴，中国工会十八大代表，安徽省研究生教学名师，安徽省“115”产业创新团队建设工程“磷酸铁锂动力电池的制备技术及产业化”主持人，安徽省高等学校“化工新材料制备与过程技术”科技创新团队主持人。在新能源化工领域，长期从事先进锂离子电池及钠离子电池、水系锌离子电池等关键材料与电解质的设计、制备过程与工艺、电池制造、废旧电池绿色高效回收与综合利用等应用基础研究及产业化技术研发。主持承担国家级、省部级与企业委托科研课题 20 多项，在国内外重要学术刊物 Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Acc. Chem. Res.、Chem. Eng. J.、《化工学报》等上发表研究论文 200 余篇，论文他引 6500 余次。获授权国家发明专利 20 余项，3 项专利有偿转让给相关企业。以第一完成人获安徽省科学技术二等奖、第十一届安徽青年科技奖和“安徽省五一劳动奖章”等奖励和荣誉。

邹雷，合肥工业大学机械工程学院博士后。2018 年于合肥工业大学化学工程与工艺专业本科毕业，之后继续在合肥工业大学硕博连读并于 2023 年获得材料化学工程博士学位。主要从事锂离子电池新型固态电解质材料方面的研究。以第一作者身份在国内外重要学术刊物 Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、ACS Omega、《化工学报》等上发表学术论文 4 篇，并申请公开国家发明专利 3 项。

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/hfut411group