竞争性阴离子锚定与氢键：构建火安全长寿命锂金属电池的多尺度耦合复合准固态电解质

近期，我室在《Advanced Science》上发表题为“Competitive Anion Anchoring and Hydrogen Bonding in Multiscale-Coupling Composite Quasi-Solid Electrolytes for Fire-Safety and Long-Life Lithium Metal Batteries”的研究论文(Adv. Sci. 2025, 2501012.)。四川大学为论文唯一署名单位，我室2022级博士研究生胡丁为论文第一作者，陈思翀教授和吴刚教授为通讯作者。

【研究背景】

以Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ (LATP)为活性填料的复合固态电解质(CSEs)具有环境稳定性高、成本可接受、电化学窗口宽等优势，近年来其在锂金属电池(LMBs)中的应用受到广泛关注。然而，LATP与锂金属的化学兼容性较差，其CSEs与电极的界面阻抗较高、室温离子电导率不够理想。利用原位聚合制备复合准固态电解质(CQSEs)，结合了固态电解质与液态电解质优势，有望解决以上问题。

【主要内容】

本工作通过原位聚合含有碳酸亚乙烯酯（VC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）和双（三氟甲磺酰）亚胺锂（LiTFSI）的前驱体溶液，在由2-（3-（6-甲基-4-氧代-1,4-二氢嘧啶-2-基）脲基）乙基甲基丙烯酸酯（UPyMA）自组装纳米纤维（SAF）、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）和LATP组成的多孔柔性三维自支撑骨架（SSK）中，制备出自组装纳米纤维/聚合物/LATP复合准固态电解质（SL-CQSEs）。通过UPy单元、PVDF-HFP、TFSI-阴离子等相互间超分子作用的竞争，以及分子-纳米结构-微米结构的多尺度耦合，实现了调控锂离子(Li⁺)迁移、诱导稳定的SEI层形成、增强机械性能的协调。研究表明，SL-CQSE具有1.06 mS cm^-1的室温离子电导率、0.63的Li⁺迁移数(t_Li+)及5.1 V的电化学窗口。其Li/Li对称电池能稳定循环750 h，没有形成锂枝晶。基于SL-CQSE的LiFePO₄/Li电池表现出优异的倍率性能和长循环稳定性，在1C下初始放电比容量为147.4 mAh g^-1，1000次循环后容量保持率为90.4%，即使在4C高倍率下，初始放电比容量也可达到121.8 mAh g^-1，经1000次循环容量保持率为87%。此外，SL-CQSE完全不可燃，其软包电池能抵抗火焰，以及穿刺、剪切等物理破坏，证明了用于安全高性能锂金属电池的潜力。

图一：SL-CQSE结构、分子间作用及其贡献

图二：SL-CQSE热性能、力学性能、阻燃性能

图三：SL-CQSE基电池性能和安全性

本工作通过阴离子锚定和分子间氢键竞争机制以及复合准固态电解质的分子设计-纳米结构-微米结构多尺度耦合，实现了锂金属电池高性能和高安全性的平衡。这项工作有望为复合准固态电解质的研究带来新的见解，为锂金属电池面临的一系列安全问题提供全新的解决思路。该研究得到国家自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501012