液态电解质的泄漏和锂枝晶的形成对锂金属电池（LMBs）的安全性和稳定性提出了挑战。凝胶聚合物电解质（GPE）的出现明显提高了传统LMBs的安全性。然而，GPE对锂枝晶的抑制作用有限，不利于LMBs的安全性。

近期，郑州大学邵国胜教授和张鹏教授团队采用静电纺丝和浸渍法制备了一种具有高离子导电性、耐高温性和阻燃性的聚偏氟乙烯-共六氟丙烯（PVDF-HFP）/明胶（GN）GPE。利用PVDF-HFP的静电纺丝网络及其对液态电解质的亲和力，这种GPE更有利于离子传输和凝胶的形成。而且，具有溶胶-凝胶特性的GN提高了HFP-GN GPE的力学性能（13.5MPa）。同时，X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）表明，GN的极性基团对Li⁺的吸引可以调节Li⁺分布，保护Li阳极。因此，将HFP-GN GPE应用于以LiFePO₄和LiCoO₂为阴极的LMBs中，可实现优异的电化学性能：经过300次循环后，LiFePO₄/HFP-GN GPE/Li电池在5C下的容量衰减率低至0.09%，在2C下循环400次后，LiCoO₂/HFP-GN GPE/Li电池的容量保持率高达74%。总体而言，该研究验证了GPE在安全LMBs中的巨大应用前景。

图1.（a）HFP-GN GPEs制备示意图。（b,c）PVDF-HFP和HFP-GN的表面。（d）HFP-GN的横截面。（e）XRD图谱，（f）PVDF-HFP、GN和HFP-GN的FTIR光谱。（g）应力-应变曲线。（h）三种膜的接触角。（i）Celgard、PVDF-HFP和HFP-GN的电解质吸收率和电解质保留率。（j）PVDF-HFP和HFP-GN的阻燃性能。

图2.（a）LiPF6和（b）HFP-GN吸附LiPF6后的Li1s峰的XPS光谱。吸附LiPF6后，（c,e）HFP-GN和（d,f）HFP-GN吸附LiPF6后的N1s、O1s峰的XPS光谱。（g）被GN中的-CONH-、-NH2和-COOH吸附时，Li+与GN中各种极性基团的优化结构。

图3.Celgard、PVDF-HFP和HFP-GN的电化学性能：（a）EIS曲线，（b）Arrhenius图，（c）LSV曲线，以及（d-f）使用Celgard、PVDF-HFP和HFP-GN的Li//Li电池在2mV阶跃电压下的计时安培曲线（插图显示极化前后的EIS图）。（g-i）Celgard、PVDF-HFP GPE和HFP-GN GPE的相应离子传输示意图。

图4.Li阳极与不同电解质的电化学行为示意图：（a）Celgard和（b,c）HFP-GN GPE。（d）使用Celgard、PVDF-HFP GPE和HFP-GN GPE的Li//Li对称电池的倍率性能。（e）由Celgard和HFP-GN GPE组装的Li//Li电池的循环性能（右上角插图：一个时间段的放大电压曲线）。（f）初始Li以及由（g）Celgard和（h）HFP-GN GPE组装的Li//Li电池在1mA·cm-2下循环50次后拆解的锂金属表面的SEM图像。具有（i）Celgard和（j）HFP-GN GPE的电池的锂金属表面的F1s XPS光谱。（k）50次循环后具有Celgard和HFP-GN GPE的Li对称电池的EIS光谱。

图5.（a,b）Celgard和HFP-GN GPEs组装的LFP//Li电池在1和2C下的循环性能，以及（c）倍率性能。（d）Celgard和HFP-GN GPE组装的LFP//Li电池在5C下的循环性能。（e）HFP-GN GPE与高负载阴极在1C下的循环性能。（f）柔性LFP/HFP-GN GPE/Li电池在0.5C下的循环性能。（g）与蓝色LED串联的柔性LFP/HFP-GN GPE/Li电池的演示：该电池能够在平放、卷曲和切割状态下为蓝色LED持续供电。

图6.由Celgard和HFP-GN GPEs组装的LiCoO₂//Li电池的电化学性能：（a）LiCoO₂/Celgard/Li和（b）LiCoO₂/HFP-GN GPE/Li在1C下的充放电曲线；（c）循环后的EIS曲线；（d）LiCoO₂/HFP-GN GPE/Li在1mV·s^-1时的CV曲线；LiCoO₂//Li电池在（e）1C和（g）2C下的循环性能；以及（f）LiCoO₂//Li电池的倍率性能。

该工作以“A functional gel polymer electrolyte based on PVDF-HFP/gelatin toward dendrite-free lithium metal batteries”为题发表在《Nano Research》（DOI:10.1007/s12274-023-6230-0）上。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s12274-023-6230-0