洪波、白茂辉、黄子默 CEJ观点：构筑强亲核氟化剂，实现高稳定性的原位三维交联凝胶聚合物电解质，用于锂离子电池

第一作者：张利波

通讯作者：白茂辉*，黄子默*，洪波*

单位：长沙理工大学，广东工业大学，中南大学

面对便携电子设备和电动车对能源存储的迫切需求，锂离子电池因接近其容量极限无法进一步提升能量密度。锂金属负极以其高理论比容量和低电化学反应电位成为下一代负极材料的有力候选，但也面临锂枝晶形成和库仑效率不佳等问题，影响电池寿命和安全性。为此，研究者转向优化电解质组成，尤其是使用高浓度锂盐和电解液添加剂，以改善固体电解质界面（SEI）膜。同时，为解决枝晶问题，研究者考虑使用凝胶聚合物电解质（GPE），这种电解质不仅稳定性强，还适用于原位聚合技术，与当前锂离子电池制造实践相符。虽然三维交联GPE在尺寸稳定性和电化学性能上表现出色，但在机械强度方面仍有不足。因此，研究者们探索加入氟化剂等有机电解质添加剂，在界面形成富含氟的有机无机化合物，从而增强电解质的核心性能。这种方法不仅有望优化锂金属负极，还可能提升使用三元正极和硅碳负极的锂离子电池的综合性能。

近日，中南大学洪波、长沙理工白茂辉与广东工业大学黄子默合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A strong nucleophilic fluorination agent to achieve highly stable in-situ 3D cross-linked gel polymer electrolyte for lithium-ion batteries”的观点文章。在这项研究中，作者们引入了一种原位3D交联的GPE，使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为单体和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）作为交联剂，以确保结构稳定性和高的离子导电性。研究中加入了一种强效的亲核氟化剂，四丁基铵氟化物（TBAF），以增强所配制的 FGPPE 的兼容性和抗氧化性。PEGDMA 的（-CH₂CH₂O-）重复单元，结合原位氟化锂（LiF）和由 TBAF 引入的 C-F 基团，赋予 FGPPE 显著的离子导电性，达到7.8 mS cm^-1，以及明显的电化学稳定性，为4.65 V。值得注意的是，具有富含F的固态界面（SEI）的锂金属负极，展现了均匀的Li⁺沉积，维持了1000小时的循环寿命，并在300次循环过程中保持了98.5%的平均库仑效率。此外，与 FGPPE 集成的 NCM811/SiC 软包电池显示出卓越的循环稳定性，在4.45 V的高电压下，经过600次循环后保持了99.4%的容量。

研究介绍了一种原位交联的三维凝胶聚合物电解质（FGPPE），使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）原位交联，以四丁基铵氟化物（TBAF）作为亲核氟化剂。该配方旨在增强GPE的稳定性、离子导电性和机械稳定性。FGPPE展现出高离子导电性（7.8 mS cm^-1）和高达4.65 V的电化学稳定性。它还有助于均匀的Li⁺沉积，并能维持1000小时的循环寿命，300次循环中平均库仑效率为98.5%。

研究表明，使用FGPPE的锂金属负极显示优异的性能，包括减少锂枝晶形成和提高库仑效率。集成FGPPE的NCM811/SiC软包电池展现出优越的循环稳定性，在4.45 V的高电压下经过600次循环后仍保持99.4%的容量。这表明FGPPE显著提高了锂离子电池的寿命和安全性。

研究强调了FGPPE的机械强度和电化学优势。尽管高度交联GPE通常面临机械强度的问题，但FGPPE通过其稳健的组成克服了这些挑战，其中包括F富集的固态界面和C-F键合化合物。这些特性有助于形成一个稳定、耐高电压的凝胶电解质系统，使FGPPE适用于高能量密度的锂离子电池。

研究调查了FGPPE与锂金属负极的兼容性及其对电池循环性能的影响。结果表明，FGPPE增强了电极界面，防止了锂枝晶的形成，并提高了电池的整体循环性能和安全性。这一点从FGPPE在高湿度条件下的稳定性以及其在锂金属负极上形成均匀且具有保护性的SEI膜中得到了证明。

A strong nucleophilic fluorination agent to achieve highly stable in-situ 3D cross-linked gel polymer electrolyte for lithium-ion batteries

洪波教授：中南大学特聘副教授，博士生导师。近5年来，针对电化学储能器件存在的“续航焦虑、安全焦虑”等关键问题，在“锂电池材料及电池电化学”研究方向，紧扣“高比能电极材料与电极过程”研究主题，以第一作者及通讯作者在Energy Storage Materials, Chemical Engineer Journal，Small，Energy & Environmental Materials，Journal of Materials Chemistry A等行业TOP期刊上发表SCI论文45篇。作为项目负责人主持国家级项目5项（其中国防类重点项目1项、国防基础研究项目1项、国家自然科学基金青年基金和面上项目各1项，重点研发项目子课题1项），华为等企业横向课题4项，中国博士后面上基金项目2项，湖南省自然科学基金青年基金1项。共申请中国发明专利70余项，国际专利1项，获国家授权发明专利42项，实现科技成果转让3项，合同经费共计515万元。获湖南省科技进步二等奖1项。

白茂辉：湖南省优秀博士后创新人才，中南大学升华博士后，于2019年毕业于中南大学，于2021年在中南大学材料科学与工程专业完成博士后工作，于2022年入职长沙理工大学材料科学与工程学院。长期从事锂电池材料与器件相关研究，尤其在凝胶电解质研究方面取得了重大突破。近五年内，在Advanced Materials、Chemical Engineering Journal等国际权威期刊上已发表SCI期刊论文36余篇。担任Frontiers in Materials，Polymer客座主编，Chemical Engineering Journal、Energy Storage Materials等期刊审稿人。主持了中国博士后科学基金面上项目1项（8万）、2020年湖南省优秀博士后创新人才项目1项（40万）、中国博士后科学基金第14批特别资助（站中）1项（18万），并负责完成华为公司电池可靠性研究项目（97万元）和广东微电公司高比能电池项目（80万）等横向课题多项。

黄子默：广东工业大学青年百人博士后，本科、硕士毕业于中南大学，博士毕业于澳大利亚格里菲斯大学，研究方向包括二维MXenes，石墨烯材料的绿色、大规模、低成本电化学合成以及锂离子电池、锂硫电池等储能领域的应用研究。荣获“格里菲斯大学优秀博士论文奖”，“湖南省优秀毕业生”等荣誉奖项。以第一作者以及通讯作者在Advanced Functional Materials, Carbon Energy, Nano-Micro Letters，Chemical Engineering Journal等国际高水平SCI期刊发表学术论文多篇。

张利波：中南大学冶金与环境学院材料物理化学专业博士（在读），研究方向为固态电池领域关键电池材料及半固体电解质开发，高级工程师。曾担任国内知名上市公司技术负责人之一，负责新型高能电芯研发及生产工艺改进，同时，针对超高功率超长寿命电池体系，参与4项国家重点研发计划，并参与多项省部级技术攻关项目；同时，参与多项国家重点项目、JM融合项目等，在锂电池及钠电池等体系用功能材料，关键材料等领域深耕多年，参与国内知名企业新体系研发和产业化支持，有十五年以上行业资深工作经历。