本文是由Zhenjie Liu、Murong Xi、Rui Sheng、Wei Wang、Juan Ding、Zhouliang Tan和Yudai Huang等研究者完成的，他们来自新疆大学化学学院和以碳为基础能源资源化学与利用国家重点实验室。文章于2025年1月13日发表在期刊《ACS Materials Letters》第7卷560-565页，DOI编号为10.1021/acsmaterialslett.4c02332。
锂金属电池（lithium metal batteries, LMBs）被誉为“高能量密度电池领域的圣杯”，因为其锂金属负极具有高达3860 mAh g⁻¹的理论比容量和极低的电化学电位（-3.04 V vs SHE）。然而，LMBs普遍存在低可逆性和安全性低的难题，特别是锂枝晶（dendrites）的生长易导致隔膜刺穿并短路，引发热失控，最终可能导致起火或爆炸。此外，传统有机电解液的挥发性、毒性和可燃性以及电解液泄漏问题也导致了安全隐患。在这些背景下，“原位固化”是一种新兴的策略，用于通过电解液从液相转化为固相以提高LMB的安全性和稳定性。
本文研究团队提出了一种基于Lewis酸碱相互作用的原位凝胶化电解质新策略。此方法利用聚酰胺（polyamide）与液态电解液的Lewis酸碱化学相互作用，从而制备出一种凝胶聚合物电解质（gel polymer electrolyte, GPE-PL），可以有效抑制锂枝晶的形成，改善LMB的安全性并延长循环寿命。
制备凝胶聚合物电解质（GPE-PL）
研究团队通过将尼龙-6（Nylon-6）等聚酰胺材料与传统液态电解液（例如1 M LiPF6溶液）相结合，利用Lewis酸碱相互作用形成交联的聚合物网络。这种凝胶化过程通过开链和聚合完成，过程中电解质内电解液的离子-溶剂体系与聚酰胺的Lewis碱单元发生作用，形成一种具有高粘弹性的离子导电凝胶。为研究该现象，作者对一系列不同碱金属盐和溶剂组合进行了实验，发现只有特定离子盐/溶剂组合可以有效溶解聚酰胺。
数据研究与溶解机制分析
通过对聚酰胺材料的溶解行为以及其在锂盐-溶剂体系中的凝胶化进行了详细分析。作者指出，溶液中的Lewis酸碱“挫折中心”与溶解行为相关，并发现这些离子/溶剂生成的结构对改变聚酰胺的溶解性和形成凝胶的能力至关重要。研究表明，溶液中离子聚合物的偶极矩和高Lewis酸性导致聚酰胺分子内部的强氢键发生断裂，从而达到溶解并形成凝胶。
电化学性能评价
在实验中，作者将GPE-PL电解质应用于对称锂电池中，并在25°C下分别选用GPE-PL和传统液体电解质进行长时间的循环测试。研究发现，使用GPE-PL电解质时，对称电池在0.2 mA cm⁻²的电流密度下能够达到3500小时的超长寿命，替换成液体电解质时性能明显下降。特别是在高电流密度下（5 mA cm⁻²），使用GPE-PL的对称电池仍能维持1800小时以上稳定工作，展示了抑制锂枝晶生成的显著能力。
锂沉积形貌研究
通过电化学测试（chronoamperometry）和扫描电镜（SEM）成像，进一步分析了锂沉积过程中的形貌变化。在GPE-PL中，锂金属表面能够均匀沉积为致密结构，而在传统液体电解质中则生成了大量不规则的锂枝晶。这主要归因于聚酰胺分子对锂阳离子迁移和沉积的调控作用，有效引导了均匀沉积而非枝晶生成。
全电池性能分析
为了测试该策略的实际应用潜力，研究团队进一步组装了基于LiFePO4（LFP）正极和GPE-PL的软包电池，并进行了多种倍率的充放电测试。该全固态电池在0.3 C的倍率下循环200次后可保持98.4%的初始容量，在1 C的倍率下仍能提供优异的循环稳定性。此外，实验证明，经过多次弯曲后该电池仍能稳定工作，显示了潜在的柔性应用前景。
本文的研究表明，通过Lewis酸碱相互作用实现的原位凝胶化电解质（GPE-PL）不仅解决了传统LMBs中的锂枝晶和电解液泄漏问题，还提供了一种耐用、安全且适合大规模制备的固态电池方案。这种方法成功让LMBs在3500小时内未发生短路，并延长了高电流密度下的工作寿命，证明了该技术在下一代高能量密度和高安全性电池系统中具有重要的应用潜力。此外，结合传统电解液、锂金属和现有工业制造体系的兼容性，也是提高其实际推广价值的重要方面。
以上研究不仅为高安全性、长寿命的LMBs设计提供了基础，还为未来的高能量密度电池设计铺平了道路，具有重要的科学和现实意义。