清华大学王海辉/华南理工大学王素清《AM》：超高模量凝胶电解质实现界面稳定的锂金属电池

凝胶聚合物电解质（GPE）因其在锂金属电池（LMBs）中的优异综合性能而备受关注。然而，低弹性模量（MPa）的凝胶聚合物电解质无法以机械方式调节锂的沉积，从而导致锂枝晶的顽固性。

近日，清华大学王海辉教授、华南理工大学王素清研究员采用多孔Li7La3Zr2O12（LLZO）框架（PLF）作为集成固体填料，以解决GPE的固有缺陷。研究发现，加入PLF后，复合GPE显示出GPa级的超高弹性模量，可在机械层面上与锂枝晶对抗，并在锂电池的高电流密度下实现稳定极化。得益于与负极的兼容界面，LFP|PLF@GPE|Li电池在室温下具有出色的倍率能力和循环性能。此外，从固体填料的拓扑结构中提取的理论模型表明，具有独特三维结构的PLF可从负载敏感方向提供足够的机械支撑，从而在纳米尺度上有效地强化GPE的凝胶相。另外，作者还进一步开发了数值模型，以再现枝晶传播的多物理过程，并为预测LMBs的失效模式提供启示。这项工作定量阐明了固体填料的拓扑结构与GPE的界面稳定性之间的关系，为设计用于LMBs的机械可靠的GPE提供了指导。

文章要点：

1. 这项工作通过在基于聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)的凝胶电解质中加入PLF，开发了一种新型复合GPE ，并实现了界面稳定的LMB。

2. 将PLF和凝胶电解质结合起来的灵感基于两个因素：1) 高温烧结后的LLZO颗粒可形成坚固的框架，为软凝胶相提供刚性支撑；2)凝胶相中含有大量的液态电解液，可作为Li+迁移的自由通道。因此，所构建的PLF@GPE在室温下具有高达4.2 GPa的超高弹性模量和1.80 mS cm-1的良好离子电导率。

3. 正如预期的那样，PLF有助于有效抑制锂枝晶，从而实现均匀的Li+通量和强有力的机械约束。得益于与锂负极的稳定界面，采用PLF@GPE的LMB可在各种电流密度下长期保持稳定的循环。

4. 同样重要的是，这项工作还建立了两个理论模型来理解PLF在固化GPE中的关键作用，一个是基于纳米尺度的力学分析来探索凝胶相中的机械强化，另一个是基于多物理场模拟来证明复合GPE对锂沉积的影响。

5. 更重要的是，实验和理论研究共同分析了固体填料的拓扑结构如何影响复合GPE的力学和电化学性能，为制备界面友好型GPE提供了有意义的指导。

图1 复合凝胶电解质的制备及表征

图2 复合凝胶电解质的离子导电性和热性能

图3 对称电池性能

图4 LFP||Li全电池性能

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202309677

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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