这篇文档属于类型a，是一篇关于凝胶聚合物电解质（Gel Polymer Electrolytes, GPEs）在锂金属电池（Lithium Metal Batteries, LMBs）中应用的原创性研究。以下是详细的学术报告：

作者及机构

本研究由Mingnan Li、Dmitrii A. Rakov（共同一作）、Yameng Fan、Caoyu Wang、Cheng Wang、Jodie A. Yuwono、Shuixin Xia、Jianfeng Mao（通讯作者）和Zaiping Guo（通讯作者）合作完成。研究团队来自澳大利亚阿德莱德大学（The University of Adelaide）、昆士兰大学（The University of Queensland）、伍伦贡大学（The University of Wollongong）以及香港城市大学（City University of Hong Kong）。论文发表于Angewandte Chemie International Edition（2025年），DOI: 10.1002/anie.202513450。

学术背景

科学领域：本研究属于电化学与能源材料领域，聚焦于锂金属电池（LMBs）中凝胶聚合物电解质（GPEs）的设计与优化。
研究动机：当前锂离子电池（LIBs）的能量密度（150–220 Wh kg⁻¹）已无法满足电动汽车、无人机和AI数据中心的需求。锂金属电池（LMBs）因更高的能量密度成为潜在替代品，但其面临锂枝晶生长、界面不稳定等问题。GPEs因其高离子电导率（10⁻⁵–10⁻³ S cm⁻¹）、柔韧性和非易燃性成为研究热点，但其发展受限于对锂离子（Li⁺）溶剂化化学及其对离子传输和固体电解质界面（Solid Electrolyte Interphase, SEI）形成的影响理解不足。
研究目标：通过调控聚合物和溶剂的溶剂化能力，揭示GPE组成、Li⁺配位结构、Li⁺迁移数（tₗᵢ⁺）和界面化学之间的关系，设计高性能GPEs。

研究流程与方法

1. GPEs的制备与表征

• 研究对象：以1H,1H,2H,2H-十三氟辛基丙烯酸酯（TFOA）和辛基丙烯酸酯（OA）为聚合物基体，搭配不同溶剂（氟代碳酸乙烯酯FEC、1,2-二甲氧基乙烷DME、环丁砜SL）。
  
• 制备方法：将LiTFSI盐溶解于单体、溶剂和交联剂的混合溶液中，加热（70°C）聚合形成GPE。通过固体核磁共振（¹H NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证聚合成功。
  
• 关键参数优化：确定LiTFSI:TFOA摩尔比为0.725:1，FEC:TFOA为3:1时，GPE兼具高离子电导率（0.29 mS cm⁻¹）和凝胶稳定性。
  

2. 电化学性能测试

• 对称电池测试（Li||Li）：比较FEC-TFOA与FEC-OA的循环稳定性。FEC-TFOA在0.5 mA cm⁻²下稳定循环900小时，过电位更低。
  
• 半电池测试（Cu||Li）：FEC-TFOA的库仑效率（CE）达99.2%，而FEC-OA仅80%。临界电流密度（CCD）测试显示FEC-TFOA可耐受3.5 mA cm⁻²。
  
• 全电池测试：FEC-TFOA在LiFePO₄（LFP）||Li电池中循环700次容量保持率93.3%；在高压LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂（NMC811）||Li电池中（截止电压4.5 V），140次循环后容量保持率81%。
  

3. 界面化学与形貌分析

• X射线光电子能谱（XPS）：FEC-TFOA生成的SEI富含无机成分（LiF和Li₂O），而FEC-OA的SEI以有机成分为主。
  
• 飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）：证实FEC-TFOA的SEI中F⁻（LiF）和O²⁻（Li₂O）含量更高，抑制枝晶生长。
  

4. 溶剂化结构与传输机制研究

• 拉曼光谱：FEC-TFOA中Li⁺-阴离子聚集体（AGGs）占比21%，高于FEC-OA（13%）。
  
• 分子动力学模拟（MD）与密度泛函理论（DFT）：氟化聚合物（TFOA）削弱Li⁺-聚合物相互作用，促进Li⁺部分脱离聚合物形成AGGs，避免胶束结构（Micelle）生成，从而提升Li⁺迁移数（tₗᵢ⁺=0.55）。
  

主要结果与逻辑关联

1. 溶剂化能力平衡的重要性：
   
   • 强溶剂化溶剂（如DME）导致Li⁺完全脱离聚合物，形成胶束结构，阻碍离子传输。
     
   • 弱溶剂化溶剂（FEC）与弱配位聚合物（TFOA）组合实现Li⁺部分脱离，形成AGGs，促进高效传输和稳定SEI。
     
2. 界面化学与性能关联：无机富集SEI（LiF/Li₂O）抑制枝晶，提升循环稳定性。
   
3. 全电池验证：FEC-TFOA在高压NMC811电池中表现优异，证实其实际应用潜力。
   

结论与价值

1. 科学价值：揭示了GPE中Li⁺溶剂化环境对离子传输和界面化学的调控机制，提出“平衡溶剂化能力”的设计原则。
   
2. 应用价值：FEC-TFOA GPE在锂金属电池中实现高库仑效率（99.2%）、长循环寿命（900小时）和高电压稳定性（4.5 V），为下一代高能量密度电池提供材料解决方案。
   

研究亮点

1. 创新性发现：首次提出“部分Li⁺脱离聚合物”的AGGs机制，避免胶束结构的负面影响。
   
2. 方法论创新：结合实验（XPS、ToF-SIMS）与模拟（MD/DFT）多尺度表征溶剂化结构。
   
3. 应用突破：GPE在高压（4.5 V） pouch cell（软包电池）中验证，容量达191.2 mAh g⁻¹，CE 99.8%。
   

其他有价值内容

• 安全性：低溶剂含量（FEC:TFOA≤3:1）的GPEs具有非易燃性。
  
• 铝集流体保护：FEC-TFOA抑制高压下铝腐蚀，泄漏电流低于液态电解质。
  

此研究为GPEs的分子设计提供了新思路，推动了锂金属电池的实际应用。