『锂电』南京邮电大学 AM:弹性桥接设计无氟电解质,实现高性能无氟锂金属电池
传统锂金属电池依赖含氟锂盐、含氟稀释剂，带来高成本、高污染、高生物毒性问题，不符合绿色储能趋势。同时常规液态 / 凝胶电解质存在三大瓶颈：①安全隐患大：液态电解液易燃易泄漏，凝胶电解质力学强度不足；②离子传输差：阴离子自由迁移严重，锂离子迁移数低，浓差极化大；③界面不稳定：SEI 易破裂、锂枝晶疯长，循环寿命短，难以适配高负载正极。开发安全、无氟、高离子迁移数、高力学性能的新型电解质，成为绿色高能量密度锂金属电池的核心难题。现有无氟体系普遍面临锂盐溶解度低、溶剂化结构不稳定、聚合物 - 溶剂相容性差、离子传输慢等问题。本研究创新提出溶剂 - 聚合物弹性桥接策略，首次构筑 LiBOB 基无氟局域高浓电解液（T-V-Li），并将其封装于两性离子聚氨酯网络中。通过氢键、离子 - 偶极作用重构溶剂化结构，形成富硼化物无机 SEI，实现超高锂离子迁移数（0.95）、高离子电导率（1.3 mS cm⁻¹）、高断裂强度（1.1 MPa）。Li||Li 对称电池稳定循环 1000 h，高负载 NCM622 全电池 200 圈容量保持率优异，软包电池容量达 1600 mAh，为无氟绿色锂金属电池开辟全新路线。①理念创新：首次提出溶剂 - 聚合物弹性桥接设计，实现无氟局域高浓电解液与无氟聚合物的高效兼容与稳定封装；②机制创新：通过强弱配位协同与弹性相互作用，重构溶剂化结构，构建富硼化物稳定 SEI，同步实现高离子电导率与高迁移数；③性能创新：突破无氟体系瓶颈，实现0.95 超高锂离子迁移数，兼具高力学、自修复、高黏附特性，适配高负载正极与软包电池。图 1. (a–c) LiBOB 与不同无氟液态电解液的红外光谱；(d) LiBOB、两性聚氨酯及 TPU-Li 的红外光谱；(e) TPU 与 TPU-V 的红外光谱；(f) TPU 与 TPU-T 的红外光谱；(g,h) 基于独立梯度模型（IGM）的分子间氢键验证；(i) 不同电解液中 SSIP、CIP、AGG 含量。①配位作用：V 的 C=O、T 的 C-O-C 与 Li⁺ 发生强弱配位，提升 LiBOB 溶解度；②氢键作用：聚氨酯中 -NH- 与溶剂形成氢键，稳定封装液体电解液；③溶剂化调控：弹性桥接作用显著提升CIP/AGG 比例，抑制阴离子自由迁移，为高锂离子迁移数奠定基础。图 2. (a) T 端基碳与 LiBOB 羰基碳在不同组分下的化学位移变化；(b) Li⁺ 与 BOB⁻ 结合能；(c) Li⁺ 与 T 结合能；(d) Li⁺ 与 V 结合能；(e) TPU-T-V-Li 分子动力学模拟快照；(f–i) TPU-T-V-Li 径向分布函数；(j) Li⁺ 均方位移；(k) Li⁺ 扩散系数；(l) TPU-T-V-Li 模拟结构。①配位强度顺序：Li-T > Li-BOB⁻ > Li-V，形成稳定局域高浓结构；②聚合物调控：TPU 弱化 Li⁺- 溶剂作用，强化 Li⁺-BOB⁻ 作用，促进脱溶剂；③传输加速：聚合物网络构建两性离子纳米通道，Li⁺ 扩散速率提升近 9 倍；图 3. (a) TPU-T-V-Li 扫描电镜图；(b) 应力 - 应变曲线；(c) 拉伸前后实物图；(d) 固定应变循环应力 - 应变曲线；(e,f) 不同应变顺序加卸载曲线；(g) 自修复偏光显微镜图；(h) 自修复力学曲线；(i) 黏附测试；(j) 黏附实物图；(k,l) 实际黏附测试照片与曲线。①超高延展性：断裂应变≈900%，强度 1.1 MPa，刚柔协同；②室温自修复：断裂后 5 h 自动修复，源于可逆氢键与离子作用；③强界面黏附：与电极黏附强度高，提升界面稳定性，抑制枝晶；④微相分离结构：形成连续离子传输通道，兼顾力学与导电。图 4. (a) 不同电解液室温离子电导率；(b) TPU-T-V-Li 电导率 - 温度拟合；(c) 计时电流法与阻抗（插图）；(d) LSV 曲线；(e) LiBOB、T-Li、V-Li 的 HOMO/LUMO 能级；(f) Li||Li 对称电池倍率性能；(g) Li||Li 长循环性能；(h) 初始与循环后锂表面 SEM；(i–l) 循环锂电极 XPS 谱（C 1s、B 1s、S 2p、N 1s）。①高离子电导率：室温 1.3 mS cm⁻¹，满足实用化需求；②超高锂离子迁移数：0.95，远高于商用与常规凝胶体系；③宽电化学窗口：>4.8 V，适配高电压 NCM 正极；④超长稳定循环：Li||Li 对称电池稳定循环1000 h，锂表面平整无枝晶；⑤富硼化物 SEI：生成 LiBₓOᵧ 等无机组分，稳定界面、抑制副反应。图 5. (a) Li||LFP 倍率性能；(b) Li||LFP 长循环性能；(c) Li||NCM622 不同循环充放电曲线；(d) Li||NCM622 长循环性能；(e) 初始 NCM622 形貌；(f) 循环后 NCM622 形貌；(g) 商用电解液循环后 HRTEM；(h) TPU-T-V-Li 循环后 HRTEM；(i–k) 循环后 NCM622 XPS（C 1s、F 1s、B 1s）。① LFP 全电池：0.5 C 稳定 500 圈，容量保持率 99.7%，库仑效率≈99.9%；②高负载 NCM622：≈10 mg cm⁻² 高负载，200 圈平均面容量 1.6 mAh cm⁻²，库仑效率 99.4%；③正极界面稳定：形成均匀、薄的 CEI，无明显增厚与破坏；④软包电池：容量达1600 mAh，可稳定点亮 LED，具备柔性与安全特性。本研究提出溶剂 - 聚合物弹性桥接全新策略，成功构筑无氟、安全、高性能凝胶聚合物电解质：①无氟局域高浓体系：以 LiBOB 为锂盐、T/V 为强弱配位溶剂，解决无氟锂盐溶解度与稳定性难题；②弹性两性网络：聚氨酯通过氢键、离子 - 偶极作用稳定封装电解液，提供高力学、自修复、强黏附；③高效传输界面：构建两性离子纳米通道，实现 0.95 超高锂离子迁移数与 1.3 mS cm⁻¹ 高电导率；③稳定富硼 SEI：原位生成无机硼化物为主的界面层，抑制枝晶、减少副反应。最终实现对称电池 1000 h 超长循环、高负载正极稳定工作与大容量软包电池，为绿色无氟、高安全、高能量密度锂金属电池提供了全新设计思路与产业化可能。Elastic Bridging Design of a Fluorine‐Free Electrolyte Enables High‐Performance Lithium Batteries. Advanced Materials, 2026; https://doi.org/10.1002/adma.72977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。
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