类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为清华大学化学工程系的Haihui Wang教授（邮箱：cehhwang@tsinghua.edu.cn）和华南理工大学化学与化工学院的Suqing Wang教授（邮箱：cesqwang@scut.edu.cn）。第一作者为Jingren Gou和Zheng Zhang。合作单位还包括广州大学机械与电气工程学院。研究发表于《Advanced Materials》期刊，2023年12月7日在线发表，DOI：10.1002/adma.202309677。

学术背景
本研究属于锂金属电池（Lithium-Metal Batteries, LMBs）领域，聚焦于凝胶聚合物电解质（Gel Polymer Electrolytes, GPEs）的机械性能优化及其对锂枝晶生长的抑制作用。锂金属电池因高理论容量（3860 mAh g⁻¹）和低氧化还原电位（-3.04 V vs. Li⁺/Li）被视为下一代高能量密度储能器件，但液态电解质（LEs）的易燃性和固态电解质（ASEs）的低离子电导率限制了其应用。GPEs作为过渡方案，兼具高离子电导率和界面相容性，但其机械强度（通常为MPa级）不足以抑制锂枝晶穿透。因此，本研究旨在通过设计一种具有超高弹性模量（GPa级）的复合GPE，从力学层面调控锂沉积行为，提升电池的界面稳定性。

研究流程
1. 材料设计与制备
- 多孔LLZO框架（PLF）构建：以Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）为基体，通过石墨粉造孔和高温烧结，形成孔隙率76.88%、孔径分布0.1–100 μm的三维连续骨架（图1a-c）。XRD证实其立方石榴石结构（空间群Ia3d）保留完好（图1e）。
- 复合GPE制备：将聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）基凝胶电解质注入PLF孔隙中，固化6小时形成PLF@GPE（图1f）。对照组包括纯PEGDA基GPE（PGPE）和LLZO颗粒掺杂GPE（LP@GPE，填料含量4–16 wt%）。

1. 性能表征

   • 力学性能：纳米压痕测试显示PLF@GPE的弹性模量达4.2 GPa（图3a），为目前报道的最高值（图3b）。原子力显微镜（AFM）揭示PLF使凝胶相局部模量从23.7 MPa提升至172.2 MPa（图3c）。
     
   • 电化学性能：PLF@GPE的室温离子电导率为1.80 mS cm⁻¹（图2a），高于高填料含量（51.4 wt%）下的预期值，归因于PLF的连续离子通路（图2d）。线性扫描伏安法（LSV）表明其电化学窗口扩展至4.85 V（图2e）。
     

2. 电池测试

   • 对称电池（Li||Li）：PLF@GPE在1 mA cm⁻²下稳定循环1000小时（过电位<50 mV），而PGPE和8-LP@GPE分别于171小时和265小时短路（图4a）。高电流密度（4 mA cm⁻²）下仍表现优异（图S10）。
     
   • 全电池（LFP||Li）：PLF@GPE在0.5C下循环500次容量保持率91.4%，高负载正极（11.5 mg cm⁻²）下100次循环保持94.1%（图5a,d）。
     

3. 理论模拟

   • 力学模型：通过COMSOL模拟证实PLF的3D结构可从负载敏感方向提供力学支撑（图3d-e）。
     
   • 相场模型：揭示高模量GPE使锂枝晶形态从细长（长径比ε=1.02）变为粗短（ε=0.29），并抑制尖端电场集中（图6b-d）。
     

主要结果
1. 力学增强机制：PLF的连续骨架通过纳米尺度支撑提升凝胶相模量，AFM和模拟数据均验证其应力传递效率优于分散颗粒（图3e）。
2. 电化学稳定性：PLF@GPE的高模量（4.2 GPa）直接抑制枝晶穿透，对称电池的长期稳定性（图4a）和全电池的低极化（ΔU=0.12 V）证实界面兼容性（图5c）。
3. 理论创新：相场模型首次量化了电解质模量与枝晶形貌的关系（图6b），提出应力累积从枝晶根部向界面转移的新失效模式（图6d）。

结论与价值
本研究通过PLF@GPE的设计，实现了GPa级模量与高离子电导率的协同，为锂金属电池提供了兼具力学可靠性和电化学性能的电解质解决方案。科学价值在于：
1. 揭示了填料拓扑结构（3D连续 vs. 0D分散）对凝胶相纳米力学性能的调控机制；
2. 通过多物理场模型建立了电解质模量-枝晶形貌-界面稳定性的定量关系。应用价值体现在：高负载全电池的长期循环稳定性为实用化奠定了基础。

研究亮点
1. 超高模量GPE：首次报道弹性模量达4.2 GPa的复合凝胶电解质（图3b）；
2. 界面稳定性：PLF@GPE使锂沉积致密化（SEM图4c），全电池循环性能优于近期文献（图5e）；
3. 跨尺度机制：结合AFM纳米力学测试与相场模拟，从分子-宏观尺度阐明了填料拓扑的强化效应。

其他价值
研究开发的数值模型（图6）可预测不同电解质体系的失效模式，为后续材料设计提供理论工具。此外，PLF的制备方法（图1a）为多孔陶瓷骨架在储能器件中的应用提供了新思路。