成都理工胡安俊&龙剑平Energy Materials综述：安全锂金属电池用阻燃凝胶聚合物电解质设计策略

第一作者：Borui Yang（杨博睿）；Ting Li（李婷）

通讯作者：Anjun Hu（胡安俊）；Jianping Long（龙剑平）

通讯单位：成都理工大学

锂金属电池（LMBs）因其高能量密度和轻量化特性，在便携式电子设备、电动汽车以及储能系统等领域展现出巨大潜力。然而，LMBs的安全性，尤其是其热稳定性和与之相关的安全风险，一直是研究和应用中的关键问题。长远来看，LMBs的发展需要逐步走向少液化，甚至无液化（全固态）。固态电解质能够大幅度提升电池的安全性，但存在离子电导率低、界面稳定性差等问题，制约了其商业化进程。而凝胶聚合物电解质（GPE）作为液态和全固态电解质的过渡方案，具有安全性、能量密度和经济性，且易于制备、兼容现有电池工艺设备，具有较高的商业可行性。因此，开发高性能GPE代替液体电解质可以有效缓解LMBs的安全问题，有望引领半固态LMBs技术与产业的发展。然而，当前的GPE还存在聚合物基质的热稳定性和阻燃性较差等问题。因此，聚合物固态电池的安全性仍然是一个挑战。

近日，成都理工大学胡安俊研究员&龙剑平教授课题组在国际期刊《Energy Materials》上发表题为“Design strategy towards flame-retardant gel polymer electrolytes for safe lithium metal batteries”的综述文章。该综述首先简要分析了LMBs特有的热失控机制，强调了其与锂离子电池的区别。随后，探讨了评估LMBs安全性能的多元方法体系，包括热稳定性、可燃性和滥用评估。在此基础上，根据阻燃性基团的不同特性，系统梳理并分类介绍了当前阻燃GPE领域的最新研究进展。最后，展望了阻燃GPE的发展方向。

图1 用于安全LMBs的阻燃GPE

要点1：锂金属电池热失控机制

深入理解锂离子电池（LIBs）和锂金属电池（LMBs）的热失控机制，对于保障电池系统的安全性起着决定性作用。在LIBs中，热失控行为通常经历热产生、热扩散和热失控三个关键阶段。相比之下，LMBs因其锂金属极高的化学反应活性，面临更为严峻的热失控挑战。研究显示，电解质在这一连串热失控过程中扮演着关键角色，因此，开发具备高热稳定性、阻燃性的电解质是强化电池安全防线的重要一环。

图2. LMBs热失控过程示意图。(A) LMBs反应机理示意图；(B) LMBs热失控过程示意图

要点2：锂金属电池安全性评价

对GPE的热稳定性、可燃性以及电池的安全性评价主要包括以下几个方面。1）电解质的热稳定性评价：差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）等；2）电解质的可燃性评价：垂直燃烧法、自熄时间（SET）、极限氧指数（LOI）、闪点测试、微型量热法等；3）电池安全性评价：机械滥用（挤压和穿刺测试等）、电气滥用（过充和过放测试、短路测试等）以及热滥用（高温加热测试等）。

图3. 不同滥用条件下的构效关系图

要点3：阻燃凝胶聚合物电解质设计策略

GPEs在显著增强LMBs安全性能方面展现出巨大潜力，主要归功于其出色的防泄漏特性和通过引入增塑剂改善的电极材料间优异的界面相容性。尽管如此，GPEs中残留液态电解液成分的可燃性依然是一个不容忽视的安全隐患。针对这一挑战，研究者们致力于开发出本质阻燃的GPEs，策略上或是向增塑剂中引入高效阻燃剂，或是通过化学接枝将阻燃功能基团直接整合至聚合物骨架之中，从而在分子层面构建防火屏障。本节系统地概述了多种阻燃GPEs的设计策略及其制备技术，并深入探讨了不同阻燃官能团在提升GPEs阻燃性能中的具体作用机理与效能，为推动下一代高安全LMBs电解质材料的发展提供了宝贵的理论与实践指导。

图4. 不同电解质特性的比较

尽管阻燃GPEs与安全LMBs的研发取得了一定进展，但迈向绝对安全可靠仍需攻克数个核心难题。首要的是，深化对LMBs热失控机制的理解，特别是循环中阳极“死锂”效应对热失控的潜在影响。其次，增强GPEs对极端温度的适应性，解决当前高温或低温下性能衰退的问题，是提升稳定性的关键。另外，尽管安全GPEs在提升离子电导性上已取得进展，但持续优化以超越液态电解液的性能，同时确保系统安全，仍是研究重点。最后，采用先进无损检测技术，无损探查电池内部，对于全面解析LMBs性能与热失控机制至关重要，这将直接促进电池性能、耐用度与安全性的全面提升。

Borui Yang, Ting Li, Yu Pan, Liu Yang, Kun Li, Jiahao Chen, Zhongfu Yan, Anjun Hu, Jianping Long. Design strategy towards flame-retardant gel polymer electrolytes for safe lithium metal batteries, Energy Mater, 2024; 4; 400061.

https://doi.org/10.20517/energymater.2023.144

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