通过原位构建的自增强凝胶聚合物电解质实现安全的锂金属电池

近日，隋刚教授通过在聚多巴胺修饰的纳米纤维膜（PDA/PVDF-HFP）中原位聚合1,3-二氧戊环（DOL）来构筑自增强的GPE，以实现高安全高性能的凝胶LMB。目前，一些工作已经报道了原位制备的聚1,3-二氧戊环电解质（PDOL）可以显着提高LMB的界面兼容性。同时，利用分子动力学模拟（MD）揭示了复合电解质同时取得高离子电导率和机械性能的内部因素。其设计的GPE拥有2.39 mS/cm的离子电导率, 0.55的迁移数；在2 C电流密度下循环800圈后容量保持率为83.2%，平均每圈的容量损失为0.021%。组装的锂对称电池在0.5 mA/cm²电流密度下稳定运行800 h以上。该文章发表于《Advanced Science》期刊上，北京化工大学博士研究生陈栋莉为本文的第一作者。

液体电解质（LE）不仅存在泄露和可燃性问题，而且在锂金属电池（LMB）充放电过程中存在枝晶锂的生成和过热现象，造成可怕的安全隐患。而由功能性的聚合物骨架材料和液体电解质构成的凝胶聚合物电解质（GPE）拥有高的离子电导率，高的锂离子迁移数，宽的电化学窗口和稀少的电解液泄露等优势，被广泛深入地研究。在这里，通过新型的原位聚合方法将其中低闪点、易燃烧、易泄露的LE转换为高分子量的聚合物，将进一步地提升电池的安全性能，同时有效解决了固态电解质和电极的界面接触问题。此外，原位聚合工艺路线简单，有望应用于目前的电池行业。

在这项研究中，通过将原位聚合的PDOL与纳米纤维膜相结合，设计了一种具有3D结构的新型柔性和安全的聚合物电解质。PDA改性的多孔膜不仅为DOL提供了足够的聚合空间，而且与PP膜相比，对前驱体具有更好的亲和性和润湿性，有利于PDOL与纳米纤维交织形成均质电解质。此外，PDA可以增强PVDF-HFP 膜并调节Li+离子沉积。PDA上的极性基团可以与PDOL上的含氧官能团形成氢键，有利于提高机械强度和高离子电导率。同时，它可以防止末端羟基与锂金属之间的副反应，有利于电化学稳定性。组装的LiFePO₄//Li电池表现出优异的循环稳定性和抑制锂枝晶的能力。

文章链接  Self-Enhancing Gel Polymer Electrolyte by In Situ Construction for Enabling Safe Lithium Metal Battery.（Adv. Sci. 2021，DOI: 10.1002/advs.202103663）