导读：

液体电解质的泄漏和锂枝晶的形成对锂金属电池（LMB）的安全性和稳定性提出了挑战。凝胶聚合物电解质（GPE）的出现明显提高了传统LMB的安全性。然而，GPE 对锂枝晶的抑制作用有限，不利于 LMB 的安全性。

鉴于此，郑州大学张鹏教授和邵国胜等人采用静电纺丝和浸泡法制备了一种具有高离子电导率、耐高温、阻燃性能的聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP)/明胶(GN) GPE。该研究提出了一种有前途的解决方案，以解决传统LMB面临的安全性和稳定性挑战。相关研究成果以“A functional gel polymer electrolyte based on PVDF-HFP/gelatin toward dendrite-free lithium metal batteries”为题目，发表于期刊《Nano Research》。

本文要点：

• 这项研究提出了一种基于PVDF-HFP/明胶的功能性凝胶聚合物电解质，用于抑制锂金属电池中的锂枝晶生成，解决了传统锂金属电池存在的安全和稳定性挑战。

• 采用静电纺丝和浸泡法制备了一种具有高离子电导率、耐高温、阻燃性能的聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP)/明胶(GN) GPE。

• 将HFP-GN GPE应用于以LiFePO₄和LiCoO₂为阴极的LMB上，获得了优异的电化学性能:，LiFePO₄/HFP-GN GPE/Li电池在5C下循环300次后保持了09%的低容量衰减率；在2C下循环400次后，LiCoO₂/HFP-GN GPE/Li电池的容量保持率高达74%。

• 该电解质具有优异的离子传输性能和机械稳定性，为锂金属电池的长周期循环和高安全性提供了潜在的解决方案。

复合凝胶聚合物电解质的制备：

1、将PVDF-HFP溶解在二甲基乙酰胺（DMAc）和丙酮的混合物中，以制备电纺膜。

2、然后将GN加入热水中，直至完全溶解。用乙醇浸湿PVDF-HFP纤维后，将PVDF-HFP纤维在热GN溶液中浸泡一段时间。

3、将HFP-GN膜冷却至室温并干燥，制备复合凝胶聚合物膜。凝胶聚合物膜吸收一定量的液态电解质，得到复合GPE。

图1 (a) HFP-GN GPEs制备示意图。(b)和(c) PVDF-HFP和HFP-GN的表面。(d) HFP-GN截面。(e) PVDF-HFP、GN和HFP-GN的XRD谱图，(f) FTIR谱图。(g)应力-应变曲线。(h)三种膜的接触角。(i)电解质摄取和电解质保留PVDF-HFP和HFP-GN。(j) PVDF-HFP和HFP-GN的阻燃性能。

图2. (a) LiPF6和(b) HFP-GN吸附LiPF6后的Li1s峰XPS光谱。(c, e) HFP-GN和(d, f) HFP-GN吸附LiPF6后的N1s、O1s峰的XPS光谱。(g) Li+分别被GN中不同极性基团吸附的优化结构。

图3 Celgard、PVDF-HFP和HFP-GN的电化学性能：(a) EIS曲线，(b) Arrhenius图，(c) LSV曲线，(d-f)使用Celgard、PVDF-HFP GPE和HFP-GN GPE组装的Li//Li电池的电流-时间曲线（插图为极化前后的EIS图）。(g-i) Celgard、PVDF-HFP GPE和HFP-GN GPE的离子迁移示意图。

PVDF-HFP/GN GPE成为传统LMB的更安全、更稳定的替代品，具有几个关键特性：

1、PVDF-HFP静电纺丝网络具有优异的离子导电性和对液体电解质的亲和力，有利于离子的传递和凝胶的形成。

2、具有溶胶-凝胶性质的GN增强了GPE的机械稳定性，可以避免锂枝晶的刺穿。

3、GN的酰胺、氨基、羧基等极性基团可以抑制锂枝晶生长，保护锂阳极表面。

4、GPE具有阻燃性，可提高LMB的安全性。

5、GN的三维网络结构和极性基团的协同作用使GPE成为LMB长期循环稳定性和高安全性的潜在解决方案。

图4不同电解质下锂负极的电化学行为示意图。

图5. 由Celgard和HFP-GN GPE组装的LiCoO2//Li电池的电化学性能：(a) LiCoO2/Celgard/Li和(b) LiCoO2/HFP-GN GPE/Li在1C下的充放电曲线；(c)电化学阻抗；(d) LiCoO2/HFP-GN GPE/Li在1 mV s-1下的CV曲线；LiCoO2//Li电池在(e) 1C和(g) 2C下的循环性能，(f) LiCoO2//Li电池的倍率性能。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s12274-023-6230-0