『锂电』华中农业大学 JACS:离子电子混合网络凝胶电解质 - 阳极一体化策略,构筑高稳定高能量密度准固态锂金属电池
准固态锂金属电池（QSSLMBs）凭借超高理论能量密度（超 500 Wh kg⁻¹），成为下一代储能技术的核心候选。然而，其实用化面临严峻的界面瓶颈：固态 - 固态接触的刚性特性导致反应区域受限、活性物质利用率低；锂金属阳极在循环中体积变化剧烈，产生显著机械应力，引发界面剥离、阻抗升高；传统平面接触几何限制离子传输，导致锂沉积 / 剥离局部化，加剧枝晶生长与电池失效。尤其在高载量、高电流密度工况下，这些问题更为突出，现有界面工程策略难以兼顾动态体积适配、枝晶抑制与高效电荷传输，严重制约高能量密度 QSSLMBs 的开发。现有研究多通过涂层修饰或聚合物中间层改善界面润湿性，但无法适应长期循环中的动态体积变化；一体化架构设计虽能实现无缝接触，却存在机械性能差、锂亲和性不足等缺陷，未能解决锂沉积过程中的应力管理问题。本研究创新性地提出离子电子混合网络凝胶电解质 - 阳极一体化策略，通过原位聚合将凝胶电解质（PDOL）浸润到三维中空MXene/Li 支架中，构建兼具离子与电子导电性的复合阳极。该结构借助MXene表面亲锂位点与弯曲孔道几何，引导锂均匀沉积于内部空腔，同时缓冲体积变化、抑制枝晶生长；连续的电荷传输网络加速反应动力学，适配高载量正极。基于该策略，对称电池稳定循环超 1750 h，LiFePO₄全电池 1C 循环 1000 次容量保持率 72.6%，高载量 NCM90 正极软包电池能量密度达 392 Wh kg⁻¹，13 层堆叠电池预计能量密度 561 Wh kg⁻¹，为高性能 QSSLMBs 提供了可行路径。①结构设计创新：首次构建 “凝胶电解质 - 三维MXene/Li 支架” 一体化复合阳极，实现离子电子双导电网络协同，突破传统电极与电解质分离设计的局限，兼顾动态体积适配与高效电荷传输；②作用机制创新：MXene支架的亲锂位点降低锂成核过电位，中空孔道空间限域锂沉积，缓解机械应力；PDOL 凝胶电解质与电极无缝融合，形成稳定界面，同时MXene的高导电性与凝胶的离子传输能力协同提升反应动力学；③实用化突破：适配高载量（31.5 mg cm⁻²）高镍正极，软包电池能量密度与循环稳定性创同类报道新高，且具备柔性与可折叠特性，兼顾高能量密度与长循环寿命，适配实际应用需求。图 1. (a) 传统固态电池与一体化准固态电池的界面接触、离子 / 电子传输及锂沉积行为示意图；(b) 锂沉积形貌的相场模拟演化；(c) 传统超薄锂阳极与MXene@Li阳极的有效应力模拟。①传统电池缺陷：平面接触导致离子传输迟缓，锂沉积局部化引发枝晶生长与界面应力集中，最终导致界面剥离与电池失效；②一体化设计优势：MXene@Li复合阳极提供连续离子 / 电子传输通道，亲锂位点与孔道结构引导锂均匀沉积于内部空腔，避免枝晶形成；凝胶电解质与电极无缝融合，消除界面间隙，同时缓冲体积变化，缓解机械应力；③模拟验证：相场模拟证实，一体化结构中锂沉积更均匀，有效应力显著低于传统结构，证实应力管理与枝晶抑制的协同效果。图 2. (a) LiPF₆引发 DOL 原位聚合示意图；(b) PDOL 凝胶电解质 / NCM90 正极截面 SEM 图像；(c) MXene框架 SEM 图像（插图为MXene TEM 图像）；(d) MXene与MXene@Li的孔隙率测试；(e) PDOL 凝胶电解质 / MXene@Li阳极截面 SEM 及 EDS 元素 mapping；(f) 锂离子迁移数测试的计时电流曲线；(g) 超薄 Li|NCM90 与 MXene@Li|NCM90 全电池的峰电流与扫速平方根线性关系。①制备工艺：LiPF₆分解产生的酸性物种引发 DOL 原位开环聚合形成 PDOL 凝胶电解质，同时浸润MXene框架与 NCM 正极，实现电极 - 电解质无缝融合；MXene框架经 Ag 纳米粒子修饰增强亲锂性，电镀锂后形成MXene@Li复合阳极，保留 19.0% 孔隙率，平衡离子可及性与结构稳定性；②结构特征：EDS mapping 证实 F、P 元素在MXene@Li阳极与 NCM 正极中均匀分布，表明凝胶电解质充分浸润；MXene@Li阳极的锂离子迁移数达 0.74，远高于超薄 Li 阳极（0.45），锂离子扩散系数（3.64×10⁻⁹ cm² s⁻¹）为传统结构的 2 倍；③电荷传输优势：线性扫描结果证实，一体化结构中电荷传输动力学显著提升，为高载量工况下的高效反应奠定基础。图 3. (a) 超薄 Li 与MXene@Li对称电池的塔菲尔曲线；(b) 两种对称电池的活化能测试；(c) 两种对称电池的 CV 曲线；(d-e) 循环后MXene@Li阳极的 HRTEM 图像；(f-g) 循环后超薄 Li 阳极的 HRTEM 图像；(h-i) 循环后两种阳极的 O 1s 与 F 1s XPS 图谱。①传输动力学：MXene@Li对称电池的交换电流密度（0.96 mA cm⁻²）为超薄 Li 电池（0.19 mA cm⁻²）的 5 倍，活化能（26.9 kJ mol⁻¹）显著低于超薄 Li 电池（45.0 kJ mol⁻¹），证实界面电荷转移阻力更低、离子传输效率更高；② SEI 层特性：MXene@Li阳极表面形成均匀的Li₂O/Li₂CO₃/LiF-rich 混合 SEI 层，结构致密、离子导电性优异；而超薄 Li 阳极的 SEI 层不均匀，有机成分占比高，离子传输阻力大；③反应可逆性：MXene@Li电池的 CV 曲线电流响应更高、电压滞后更小，表明锂沉积 / 剥离反应的可逆性与界面稳定性更优。图 4. (a-b) 超薄 Li|NCM90 与 MXene@Li|NCM90 全电池循环后 NCM90 正极 CEI 层的 HRTEM 图像；(c) 循环后 NCM90 正极 CEI 层的 F 1s XPS 图谱；(d) 两种全电池的原位 EIS 图谱；(e-f) 对应的 DRT 轮廓图；(g-h) MXene@Li|NCM90 软包电池结构及循环过程中原位超声透射图像；(i-j) 超薄 Li|NCM90 软包电池结构及循环过程中原位超声透射图像。① CEI 层优化：MXene@Li体系中 NCM 正极表面形成薄而均匀（~10 nm）的 CEI 层，富含LiF与Li₃PO₄无机成分，防护效果优异；而超薄 Li 体系的 CEI 层厚且不均匀（~30 nm），有机成分占比高，结构稳定性差；②阻抗演化：原位 EIS 与 DRT 分析表明，MXene@Li全电池的 SEI 电阻与电荷转移电阻始终低于超薄 Li 体系，证实一体化结构能维持长期稳定的界面接触与高效电荷传输；③界面完整性：原位超声成像显示，MXene@Li软包电池循环中始终保持良好界面接触，无明显气体生成或空隙形成；而超薄 Li 电池出现广泛界面剥离，副反应剧烈。图 5. (a) 超薄Li|LFP与MXene@Li|LFP全电池的倍率性能；(b) 两种全电池 1C 长循环性能（插图为循环后阳极 SEM 图像）；(c) 超薄 Li|NCM83 与 MXene@Li|NCM83 全电池 0.5C 循环性能；(d) 超薄 Li|NCM90 与 MXene@Li|NCM90 全电池 0.1C 循环性能；(e) MXene@Li|NCM90 软包电池的充放电曲线；(f) 不同层数堆叠电池的能量密度模拟；(g) 本研究与已报道 Ah 级软包固态锂金属电池的性能对比。①基础电化学性能：MXene@Li|LFP全电池在 0.1-5 C 宽倍率范围内表现优异，1C 循环 1000 次容量保持率 72.6%，循环后阳极仍保持平整致密，无枝晶生成；而超薄 Li 电池循环后枝晶严重、容量衰减显著；②高载量正极适配性：MXene@Li与高载量 NCM83/NCM90 正极配对时，循环稳定性与容量输出均远超传统体系，NCM90 正极（23.0 mg cm⁻²）全电池初始面容量达 5.39 mAh cm⁻²，100 次循环后仍保持 3.78 mAh cm⁻²；③软包电池表现：31.5 mg cm⁻² 载量 NCM90 软包电池能量密度达 392 Wh kg⁻¹，具备柔性可折叠特性；13 层堆叠电池能量密度预计达 561 Wh kg⁻¹，性能优于多数已报道软包固态锂金属电池。本研究通过离子电子混合网络凝胶电解质 - 阳极一体化策略，成功解决了准固态锂金属电池的界面稳定性与电荷传输瓶颈。核心机制在于：三维中空MXene/Li 支架与 PDOL 凝胶电解质形成的一体化复合阳极，兼具离子电子双导电能力 ——MXene的亲锂位点降低锂成核过电位，中空孔道空间限域锂沉积、缓冲体积变化，抑制枝晶生长与应力积累；PDOL 凝胶与电极无缝融合，构建稳定界面，同时提供高效离子传输通道；连续的电荷传输网络与高载量正极适配，加速反应动力学。性能测试表明，该一体化结构使对称电池稳定循环超 1750 h，LiFePO₄全电池 1C 循环 1000 次容量保持率 72.6%，高载量 NCM90 软包电池能量密度达 392 Wh kg⁻¹。该设计突破了传统电池 “能量密度 - 循环寿命” 的权衡，兼顾高能量密度、长循环稳定性与柔性特性，为下一代高性能准固态锂金属电池的实用化提供了新范式，推动锂金属电池向高能量密度储能应用迈进。Integrating Gel Electrolyte/Anode with Mixed Ionic-Electronic Network for Stable Quasi-Solid-State Lithium Metal Batteries. Journal of the American Chemical Society, 2026; https://doi.org/10.1021/jacs.6c01313本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
