广东工业霍延平、许希军，广州天赐赵经纬JPS：LiGaO2活性填料与离子液体协同效应助力PEO基电解质优异锂金属电池性能

第一作者：罗雄伟

通讯作者：许希军*，赵经纬*，霍延平*

有机电解液的可燃性和其不可避免的枝晶生长等引发的安全问题限制了锂金属电池的进一步发展。相比之下，全固态锂电池因其高能量密度和高安全性，受到人们的广泛关注。固态电解质作为全固态电池的核心组件，其性能的优劣直接决定了电池的整体表现。聚环氧乙烷（PEO）具有出色的锂盐溶解能力、良好的粘性、较低的界面阻抗和低廉的制造成本，相比于陶瓷电解质更易于大规模生产，因此被认为是非常有吸引力的下一代电解质材料。然而，PEO基聚合物电解质较低的离子电导率和电化学窗口，限制了其进一步应用。因此，提高聚合物电解质的电化学性能，改善电极与电解质之间的界面，对于推动锂金属固态电池技术的发展具有重要意义。

近日，广东工业大学霍延平教授、许希军副教授联合广州天赐高新材料股份有限公司赵经纬正高级工程师在国际权威期刊Journal of Power Sources上发表题为“A polyethylene oxide based electrolyte enabled by the synergistic effect of active LiGaO₂filler and ionic liquid for superior lithium metal batteries”的观点文章。作者构建了一种基于LiGaO₂活性填料和AMIm-TFSI离子液体的PEO基复合电解质（PIL-CSE）。利用LiGaO₂填料和AMIm-TFSI离子液体的协同作用，该复合电解质展现了优异的离子电导率(2.08 × 10^-3 S cm^-1)和电化学窗口(5.2 V vs. Li⁺/Li)，降低了电池的界面阻抗。这一研究为提升聚合物电解质的离子电导率和电化学窗口，改善全固态锂金属电池电极-电解质界面稳定性提供研究思路。

XRD测试表明，当EO: Li⁺的摩尔比为12:1时，PEO对应的本振峰明显减小，非晶态区增加。此外，引入30%浓度的LiGaO₂具有最高的离子电导率，以及AMIm-TFSI与PEO的最佳质量比为2:5。根据Arrhenius方程，PIL-CSE的活化能低于PL-CSE和PEO-SPE的活化能，这可能是由于活性LiGaO₂填料与离子液体的协同作用抑制了PEO的结晶，降低了离子浓度极化，促进了Li+的迁移。

差示扫描量热法(DSC)进一步表明，PIL-CSE具有更低的玻璃化转变温度（-51.0℃），说明LiGaO₂和AMIm-TFSI的加入降低了PEO的结晶度。通过热重分析(TGA)测试，电解质的分解温度均在360℃以上，表明了了LiGaO₂和AMIm-TFSI的加入，并未牺牲PEO电解质的热稳定性。此外，拉曼光谱表明LiGaO₂和AMIm-TFSI与阴离子的相互作用促进了锂盐的解离。

线性扫描伏安法(LSV)测试显示，PIL-CSE的氧化稳定电位超过5.2 V，明显高于PEO-SPE (4.2 V)，表明PIL-CSE可以匹配目前大多数商用高压正极。在60℃下进行锂沉积/剥离试验表明，Li/PIL-CSE/Li电池在0.05至0.3 mA cm^-2范围内表现出稳定的锂沉积/剥离行为。为了进一步研究电解质与锂金属之间的界面相容性，还测量了Li//Li对称电池的长期循环性能，表明Li/PIL-CSE/Li电池可以稳定循环更长时间。此外，对0.1 mA cm^-2循环300 h前后的PIL-CSE表面进行了XPS光谱分析，掺入LiGaO₂和AMIm-TFSI有利于形成富LiF的界面层，从而保证了稳定的循环性能。

在60℃条件下，LiFePO₄/PIL-CSE/Li固态电池在0.1、0.2、0.5、1C和2C分别具有164.2、158.5、154.8、148.6和119.4 mAh g^-1的比容量。在0.2C下循环300次后，LiFePO₄/PIL-CSE/Li固态电池保持了超过147.3 mAh g^-1的可逆比容量，容量保持率为97.0%。此外，组装了LiFePO₄//Li软包全电池，可以观察到，在折叠和弯曲时，绿色LED仍然发光，说明LiFePO₄/PIL-CSE/Li具有良好的柔韧性。即使在针刺和切割状态下，LiFePO₄/PIL-CSE/Li软包电池仍然可以照亮LED。说明PIL-CSE具有良好的柔韧性和较高的安全性，是柔性电子器件的潜在应用对象。

A polyethylene oxide based electrolyte enabled by the synergistic effect of active LiGaO₂ filler and ionic liquid for superior lithium metal batteries

许希军，广东工业大学轻工化工学院“青年百人A类”引进人才。中国化学会会员，中国化工学会会员。主要围绕锂、钠离子电池的开展研究工作，主要从事电池材料及电解质的设计、制备、结构表征、性能测试和储能器件的组装设计。担任任Chinese Chemical Letters, Nano Materials Science, Advanced Powder Materials，Progress in Natural Science: Materials International, Battery Energy，Resources Chemicals and Materials，Microstructures，《无机盐工业》，《稀有金属》等期刊青年编委。以（共同）第一/通讯作者在Adv. Energy Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Adv. Sci., Small等国际期刊上发表学术论文论文35篇，ESI高被引论文5篇,封面论文2篇，论文总被引用5000余次，H指数39。2022年曾获广东省自然科学一等奖（9/9），2023年度入选全球前2%顶尖科学家榜单。

赵经纬，博士生导师，正高级工程师，天赐集团董事，首席科学家。江西省“双千计划”“百千万”高技能领军人才。长期从事锂离子电池材料、电解液方面的研究，承担国家重点、省部级重大、企业产学研项目10余项；申请国家发明专利124余项，已授权30余项；发表SCI论文70余篇。

霍延平，广东工业大学教授、博士生导师。2006年博士毕业于中国科学院广州化学研究所，曾在香港大学、中科院上海有机化学研究所、加州大学圣地亚哥分校等从事博士后研究工作。现任广东工业大学分析测试中心主任，广东省科研及生化检测用试剂工程技术研究中心主任，广东省“千百十工程”省级培养对象，广东省有机化学专业委员会委员。目前已在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Optical Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、ACS. Catal. 等著名学术刊物上发表论文100余篇，获批专利30余件，主持国家级及省部级项目十余项，获得广东省科学技术奖励二等奖2项，山东省科学技术奖“科技进步三等奖”1项。主要研究领域：1.有机光功能材料的合成及其在有机发光二极管（OLED）中的应用研究；2.有机电解液添加剂和聚合物固态电解质的合成及其在锂电池中应用研究；3.二氧化碳催化转化研究。