海洋科学与工程学院史晓东&田新龙教授团队在Advanced Functional Materials发表高安全锂金属电池研究论文

近日，海洋科学与工程学院史晓东副教授所在团队在能源化学领域顶级期刊Advanced Functional Materials发表题为“Electrospinning Fiber Membrane-Derived Gel Polymer Electrolytes with High Mechanical Strength and Low Swelling Effect for High-Safety Lithium Metal Batteries”的研究论文。河北科技大学王鹏副教授为论文第一作者，海南大学史晓东副教授和田新龙教授为论文通讯作者。

锂金属电池因其低氧化还原电位和高理论容量而受到广泛关注。然而，商用聚丙烯隔膜存在易燃、锂枝晶易刺穿和耐热性差等问题，增加了电池短路和热失控的风险，阻碍了锂金属电池的实际应用。研究者们通过构建人工界面层、优化电解质成分在一定程度上提高了锂金属电池的安全性，仍未真正解决易燃电解质的隐患。固态电解质能够从根本上解决锂金属电池的安全性问题，但其较低的锂离子电导率和较差的锂离子扩散动力学制约着其电性能的充分发挥。

为了得到兼具高安全性和高性能的锂金属电池，史晓东/田新龙教授团队通过静电纺丝技术制备了以磷酸三苯酯（TPP）阻燃剂为核层，以聚丙烯腈（PAN）和聚偏氟乙烯共聚物（PVDF-HFP）为壳层的核壳结构聚合物纤维膜（TPP@PAN/PVDF-HFP），将阻燃剂有效地封装在了聚合物壳层中。随后，如图1所示，将所得纤维膜充分浸泡在商用锂离子电池电解液中，聚合物壳层会发生溶胀，衍生得到凝胶聚合物电解质。其中，PAN组分的引入，能够有效提高聚合物壳层的机械强度和热稳定性，即使在强外力和高温条件下也能保持完整的骨架结构。同时，PAN在商用锂离子电池电解液中具有优异的抗膨胀性能，能够有效抑制聚合物壳层的溶胀变形，从而实现核层TPP组分的有序可控释放。实验结果表明，TPP@PAN/PVDF-HFP凝胶电解质具有高锂离子迁移数（0.877）和低界面活化能垒（26.6 kJ mol-1），表现出优异的锂离子传导能力和界面反应动力学。基于该电解质组装的Li//Li对称电池在0.2 mA cm-2小电流密度条件下能够实现长达1000 h的循环稳定性；相应的Li//LiFePO4电池在0.5C倍率条件下循环200圈的容量保持率为91.2%。此外，基于TPP@PAN/PVDF-HFP凝胶电解质组装的软包锂金属电池在370 ℃高温下仍具有优异的耐火性能，在穿刺测试中也具有良好的自恢复能力。

图1 静电纺丝法制备TPP@PAN/PVDF-HFP核壳结构聚合物纤维膜及其衍生凝胶聚合物电解质的阻燃机制示意图

该研究工作得到了海南大学海洋科技协同创新基金（XTCX2022HYC14）、海南省院士创新平台（YSPTZX202315）和海南大学高层次人才科研启动基金（KYQD(ZR)-23069，KYQD(ZR)-23169，KYQD(ZR)-20008）的资助支持。相关材料表征测试也得到了海南大学皮米电子显微镜中心的帮助。

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