王东/郑伟涛教授Small：仿生设计，低温高效——突破性凝胶聚合物电解质助力快充锂离子电池

第一作者：刘小飞

通讯作者：王东*，郑伟涛*

传统的乙烯碳酸酯（EC）基电解质由于锂离子迁移动力学缓慢和不稳定的固态电解质界面（SEI），在快速充电和低温条件下限制了硅碳（Si-C）负极的应用。Si-C负极相比石墨具有更高的放电容量，但在充放电过程中会产生严重的膨胀和收缩，导致电极粉化和SEI破裂，从而快速降低电池性能。现有方法中，氟代乙烯碳酸酯（FEC）和乙烯碳酸酯（VC）作为牺牲添加剂来形成稳定的SEI。然而，EC溶剂与锂离子的强配位导致高的脱溶能量障碍，阻碍了在快速充电和低温条件下的电化学性能。因此，如何设计固液界面成本了增强电化学性能的关键之一！

近日，来自吉林大学低维材料课题组的王东研究员和郑伟涛教授，在国际知名期刊Small上发表题为“Gel Polymer Electrolyte Enables Low-Temperature and High-Rate Lithium-Ion Batteries via Bionic Interface Design”的文章。受水生植物高效净水和土壤稳定化的启发，该研究团队设计了一种具有3D脱溶界面的凝胶聚合物电解质（GPE），通过1,3-二恶烷（DOL）的原位开环线性聚合形成的聚（1,3-二恶烷）（PDOL），在界面上创建了3D脱溶区域，提高了界面的锂离子脱溶效率，并产生了具有高锂离子电导率的无定形GPE。此外，更多阴离子参与了溶剂化结构，形成了稳定的SEI，提高了锂离子通过SEI的传输性能。因此，Si-C负极在室温和低温条件下表现出优异的倍率性能。这一创新设计为开发高效快速充电和低温锂离子电池提供了新的思路和技术路径。

研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算和实验表征，选择了环状醚（DOL）作为电解质溶剂。与传统的环状碳酸酯（EC）和线性醚（DME）相比，DOL具有较低的结合能和更低的熔点，适用于低温应用；红外光谱（FT-IR）和核磁共振（NMR）表征证实，DOL通过原位开环聚合形成了聚（1,3-二恶烷）（PDOL），并且GPE中含有更多的CIP和AGG溶剂化结构。

GPE展示了高锂离子电导率（5.73 mS cm⁻¹）和高锂离子转移数（0.82），PDOL在GPE中形成的海藻状纤维结构增大了界面接触面积，增强了锂离子的脱溶效率，有效降低了锂离子在界面上的迁移能量障碍。

得益于GPE较高的锂离子电导率以及快速的锂离子去溶剂化，在室温和低温条件下，Si-C半电池在GPE中的表现显著优于传统电解质；特别是在-40°C的极端低温条件下，GPE仍能保持优异的放电容量和循环性能。

通过透射电子显微镜（TEM）发现GPE中的SEI结构更加均匀和致密， X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）证实GPE形成的SEI内部富含无机成分（如LiF），有助于提高锂离子在SEI膜中的快速迁移，也有利于提高界面的稳定性。

电化学阻抗谱（EIS）结果显示，GPE形成的无机SEI以及仿生界面的快速去溶剂化行为能够显著降低SEI阻抗和电荷转移阻抗。COMSOL模拟和原位X射线衍射（XRD）结果表明，GPE中的锂离子浓度分布更加均匀，反应动力学显著加快。因此，LFP||Si-C全包全电池在高倍率下仍保持优异的放电容量和能量密度，证明了具有三维去溶剂化界面的GPE在快充和低温锂离子电池中的巨大应用前景。

Gel Polymer Electrolyte Enables Low-Temperature and High-Rate Lithium-Ion Batteries via Bionic Interface Design

郑伟涛，教授，博士生导师，低维材料课题组组长。教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，“教育部重大人才工程”特聘教授。兼任中国晶体学会副理事长、中国材料研究学会常务理事、国际衍射数据中心（ICDD）委员、国际Appl. Surf. Sci.、Vacuum杂志编委等职。主要研究方向为超硬、纳米和功能薄膜材料，能源材料及材料的计算模拟。先后承担国家863、国家基金委重点项目、科技部重大仪器专项等科研项目10余项，获得吉林省科技进步一等奖、吉林省自然科学奖一等奖2项，连续四年入选科睿唯安“高被引科学家”榜单（2020-2023），著有《薄膜材料与薄膜技术》等。Email：wtzheng@jlu.edu.cn

刘小飞简介：2016-2019年获得吉林大学硕士学位，2019-2021年就职于浙江省化工研究院有限公司，在马国强博士指导下从事快充/高电压电解液开发，2021-至今 吉林大学博士研究生，师从郑伟涛教授，主要从事锂硫电池、锂离子电池电极以及固态/准固态电解质的开发与设计，以第一/共一身份在 Energy Storage Mater.; Adv. Funct. Mater; Small; Nano Res.; Electrochim Acta; ACS Appl. Energy Mater.等期刊发表多篇文章。

点分享

点赞支持

点在看