最新《AM》：超坚韧、可拉伸凝胶电解质，助力稳定锂金属负极

锂金属被认为是下一代二次电池的一种有吸引力的负极材料，因为它具有较高的理论容量和较低的工作电位。然而，锂金属的高反应性促进了不理想的非均匀沉积/溶解过程。必须促进锂的均匀溶解/沉积反应以抑制枝晶生长和死锂的形成，从而实现锂金属电池的实际使用。此前的研究表明，采用凝胶电解质有助于获得均匀的锂沉积/溶解。

近日，日本国立材料科学研究所Ryota Tamat教授、Kei Nishikawa教授通过控制高浓度电解液和氢键聚合物之间的竞争性氢键，开发了一种超坚韧的可拉伸凝胶电解质。研究发现，在高浓度电解液中，极性溶剂分子和聚合物链之间的氢键被大大抑制，这与传统电解液不同，导致聚合物链之间的强氢键。通过优化聚合物结构，这项工作制备了一种高度可拉伸的坚韧凝胶电解质，其机械韧性达到了前所未有的16 MJ m−3，这一数值与最先进的坚韧水凝胶和离子凝胶相当。此外，所制备的凝胶电解质当用作锂金属负极的人工保护层时，大大改善了对称锂/锂电池以及全电池的循环性能。

文章要点：

1. 这项工作利用高浓度电解液中的聚合物间氢键相互作用，制备了超坚韧、可拉伸的凝胶电解质。

2. MD模拟和光谱分析证实，由于阻碍聚合物氢键的自由溶剂分子稀少，在高浓度电解液中形成的聚合物间氢键比一般浓度的电解液更强。这导致了基于高浓度电解液的氢键凝胶电解质表现出优异的机械性能。

3. 优化的氢键凝胶电解质，MMN-35-[Li(G4)][FSI]，表现出极高的机械韧性，超过16 MJ m-3，这与最先进的韧性水凝胶和离子凝胶相当。

4. 坚韧的凝胶电解质可以作为锂金属负极的人工保护层，因为它通过均匀锂沉积/剥离，大大增强了锂对称电池的循环稳定性。此外，采用凝胶电解质作为保护层大大改善了Li||LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2全电池的循环性能。

5. XPS和SEM表征显示，即使在循环后，光滑的保护凝胶层仍然保留在锂金属表面，表明坚韧和可拉伸的凝胶电解质可以抑制不均匀的锂沉积。

图1氢键凝胶电解质的示意及表征

图2 氢键凝胶电解质的机械性能和MD模拟

图3 对称锂电池性能及循环后锂负极形貌

图4 Li||LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2全电池的性能

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