本研究由yixin zhang、zhongpeng li等学者完成，主要作者来自武汉理工大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室。通讯作者为weihao zeng和shichun mu。该论文发表于Nano Letters，于2025年3月18日出版，卷号为25，页码4930至4938。

本研究属于锂金属电池（lithium-metal batteries, LMBs）领域的凝胶聚合物电解质（gel polymer electrolyte, GPE）研究方向。锂金属因具有最低电化学电位（−3.040 V相对于标准氢电极）和3860 mAh g⁻¹的高比容量，被视为下一代高能量密度储能技术的理想负极材料。然而，锂金属电池在循环过程中面临两个关键挑战：一是不可控的锂枝晶生长以及锂负极巨大的体积变化，可能导致短路和电池失效；二是传统液态电解质易燃，存在严重安全隐患。针对上述问题，研究者提出了设计高弹性凝胶聚合物电解质的策略。凝胶聚合物电解质由聚合物骨架包裹液态电解质分子，既能通过机械弹性适应锂负极的体积变化，又能降低燃烧风险。然而，现有聚丙烯酸酯类凝胶聚合物电解质仍存在拉伸弹性不足和阻燃性能有限的问题。为此，本研究旨在通过双相氟化策略，制备兼具高弹性、阻燃性和优异界面相容性的凝胶聚合物电解质，以提升锂金属电池的循环稳定性和安全性。

研究流程主要包括材料制备、力学与阻燃性能表征、电化学性能测试、界面结构分析以及全电池性能验证五个环节。在材料制备环节，研究者以2,2,2-三氟乙基丙烯酸酯（2,2,2-trifluoroethyl acrylate, TFEA）为单体，聚乙二醇二丙烯酸酯（poly(ethylene glycol) diacrylate, PEGDA）为交联剂，在偶氮二异丁腈（azobis(isobutyronitrile), AIBN）热引发下原位共聚，并引入氟代溶剂氟代碳酸乙烯酯（fluoroethylene carbonate, FEC），形成双相氟化凝胶聚合物电解质（tf-gpe）。作为对照，研究者制备了由无氟单体丙烯酸乙酯（ethyl acrylate, EA）和无氟溶剂碳酸乙烯酯（ethylene carbonate, EC）组成的凝胶聚合物电解质（ee-gpe）。傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared, FTIR）证实聚合后C=C峰消失，而C=O和C−F峰得以保留，表明tf-gpe成功合成。在力学与阻燃性能表征环节，流变测试显示tf-gpe的储能模量大于损耗模量，具有弹性特征。拉伸测试表明tf-gpe可拉伸至351%才断裂，高于ee-gpe的219%。循环拉伸测试中，tf-gpe的加载与卸载曲线几乎重合，表现出优异的可逆回弹性，而ee-gpe则出现较大的滞后环。燃烧测试显示tf-gpe点燃后仅表面碳化，不自燃，自熄灭时间（self-extinguishing time, SET）从ee-gpe的112 s g⁻¹降至0 s g⁻¹。微量热测试表明tf-gpe的峰值热释放速率从93.4 W g⁻¹降至37.7 W g⁻¹，总热释放量从9.3 kJ g⁻¹降至0.8 kJ g⁻¹。扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）显示tf-gpe燃烧后形成致密平整的碳层，元素分析表明其氟含量高达64.14%，远高于ee-gpe的37.88%。拉曼光谱分析显示tf-gpe残碳的D峰与G峰积分强度比（ID/IG）为1.65，低于ee-gpe的2.64，说明其石墨化程度更高，残碳层更稳定。在电化学性能测试环节，电化学阻抗谱测得tf-gpe室温离子电导率为3.33×10⁻⁴ S cm⁻¹，活化能为0.13 eV。锂离子迁移数为0.79，高于ee-gpe的0.59。线性扫描伏安法显示tf-gpe的稳定截止电压高达4.63 V，优于ee-gpe的4.35 V。密度泛函理论计算表明TFEA和FEC的最高占据分子轨道（highest occupied molecular orbital, HOMO）值低于EA和EC，赋予tf-gpe更强的抗氧化能力。对称电池测试中，Li/tf-gpe/Li在0.5 mA cm⁻²和0.5 mAh cm⁻²条件下可稳定循环4000小时，极化电压约30 mV，而Li/ee-gpe/Li在577小时后发生短路。在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下，tf-gpe体系可稳定循环3000小时，ee-gpe体系在229小时后短路。锂沉积形貌观察显示，使用tf-gpe的铜箔上锂沉积致密，厚度为17.8 μm，而使用ee-gpe的沉积层疏松多孔，厚度达51.1 μm。在界面结构分析环节，X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）深度剖析显示，tf-gpe形成的固态电解质界面（solid electrolyte interphase, SEI）外层富含有机组分（如C₂HO⁻和CF₃⁻），内层富含LiF和Li₂CO₃无机物，形成外层有机、内层无机的梯度结构。飞行时间二次离子质谱（time-of-flight secondary ion mass spectrometry, TOF-SIMS）三维重构进一步证实了这种梯度分布。原子力显微镜测试表明tf-gpe形成的SEI粗糙度为19.8 nm，杨氏模量为4.93 GPa，均优于ee-gpe的33.1 nm和3.35 GPa。在全电池性能验证环节，LiFePO₄正极全电池在1 C下初始容量为141.1 mAh g⁻¹，500次循环后容量保持率为80.5%，优于ee-gpe体系的66.4%。NCM811正极全电池在0.5 C下初始容量为139.2 mAh g⁻¹，250次循环后保持率为84.7%，而ee-gpe体系在50次循环后容量急剧衰减至10.3 mAh g⁻¹。软包电池安全测试中，NCM811/tf-gpe/Li软包电池在折叠、切割和针刺条件下，LED灯持续点亮，未发生短路、冒烟或燃烧。

研究结论表明，通过TFEA与PEGDA共聚并引入FEC溶剂，成功制备了双相氟化凝胶聚合物电解质tf-gpe。该电解质具有优异的拉伸弹性、阻燃性能和与锂金属负极的界面相容性，能够形成外层有机、内层富LiF的弹性SEI结构。Li/tf-gpe/Li对称电池实现了4000小时的超长循环稳定性。tf-gpe的电化学稳定窗口达到4.63 V，适用于高电压体系。在LiFePO₄和NCM811全电池中均表现出优异的循环性能。极端条件下的软包电池安全测试证实了tf-gpe的高安全性。该研究为开发稳定、安全、高性能的固态锂金属电池提供了有前景的解决方案，对推动下一代高能量密度储能器件的发展具有重要科学价值和应用潜力。

本研究的亮点在于：第一，提出了双相氟化策略，即聚合物骨架和溶剂同时氟化，显著提升了凝胶聚合物电解质的阻燃性能和力学弹性；第二，揭示了tf-gpe诱导形成的梯度SEI结构，即外层有机弹性层与内层无机LiF富集层协同作用，既能适应体积变化又能抑制枝晶生长；第三，实现了4000小时的对称电池超长循环和4.63 V的高氧化稳定性，兼顾了高能量密度与高安全性；第四，通过实际软包电池的折叠、切割和针刺测试，验证了该电解质在极端机械滥用条件下的安全可靠性。此外，对照实验还证明，仅聚合物氟化或仅溶剂氟化均无法实现立即自熄，说明双相氟化对于阻燃性能的必要性。