引言

随着电动汽车与储能市场的爆发式增长，锂金属电池（LMBs）凭借超高理论比容量和最低电化学电位，备受关注。然而，液态电解液存在的热失控、锂枝晶生长以及高压正极不稳定等问题，严重制约其商业化。研究者提出多种固态电解质与凝胶电解质方案，但普遍存在离子导电性低、界面接触差、机械强度不足等问题。尤其是在高压（>4.5 V）、高倍率（>10C）和大负载密度电极场景下，依然缺乏兼顾安全性、循环寿命和能量密度的高性能解决方案。

大连理工大学蹇锡高院士、“国家优青”胡方圆教授团队在国际顶级能源材料期刊《Advanced Energy Materials》（IF=26)，发表了题为《Interfacial Engineering of Li Anode and Ni‐Rich Cathode via Anion‐Regulated SEI/CEI Layers in Flame‐Retardant Nanofiber‐Reinforced Polymer Electrolyte for Lithium Metal Batteries》的重磅论文。该团队通过静电纺丝和原位固化策略，提出了一种创新性的“双重阻燃纳米纤维凝胶聚合物电解质”（LHCE-GPE），解决了锂金属电池在高倍率、高电压、长期循环条件下的安全性与稳定性瓶颈。论文系统性展示了从材料分子设计、界面调控机制，到电池实际性能表现的一整套高能量密度电池优化方案，对动力电池安全性提升和新型电池技术产业化具有重要参考价值。

核心创新亮点

本研究提出一种集阻燃、高稳定性、高倍率性能于一体的双重阻燃纳米纤维增强局部高浓度凝胶聚合物电解质（LHCE-GPE），在锂金属负极与高镍正极（NCM811）电池体系中，实现以下突破：

1、双阻燃功能与高安全性设计

● 材料选择：研究团队采用高温耐受的共聚（苯并噻唑联苯醚砜）（PPBES）作为3D纳米纤维膜（NFM）骨架，结合乙氧基（五氟）环三磷腈（PFPN）作为阻燃稀释剂和溶剂结构调节剂。

● 协同机制：PFPN不仅通过释放不可燃气体（如NH₃和CO₂）稀释氧气浓度，还通过形成稳定的炭层实现“气-固”协同阻燃，使电解质的自熄时间（SET）降至0 s/g，显著提升了电池的安全性。

2、局部高浓度电解质（LHCE）优化

● 溶剂化结构调控：PFPN削弱了Li⁺与溶剂的配位作用，形成局部高浓度环境，促进阴离子（TFSI⁻/DFOB⁻）主导的分解，从而在电极界面形成富含无机物的稳定SEI/CEI层。

● 性能提升：LHCE-GPE的离子电导率达0.5 mS/cm，Li⁺迁移数为0.70，远高于传统凝胶电解质（LD-GPE，0.43），且电化学稳定窗口扩展至5.1 V。

3、界面工程与长循环性能

● 阳极SEI层：阴离子优先分解形成富含LiF和B-F的无机SEI层，有效抑制锂枝晶生长。Li/LFP电池在10 C下循环2000次，单圈容量衰减率仅为0.0157%。

● 阴极CEI层：在高压NCM811阴极表面形成均匀的CEI层（约10 nm），使电池在4.7 V超高电压下稳定运行，循环600次后容量保持率达82.4%。

4、静电纺丝技术的创新应用

● 3D纳米纤维膜：通过静电纺丝制备的PPBES NFM具有高孔隙率和优异的机械强度，为电解质提供了连续的Li⁺传输通道，同时增强了电极-电解质的界面相容性。

● 原位固化工艺：结合静电纺丝和原位聚合，实现了电解质的均匀填充和高效成膜，避免了传统隔膜（如PP）的润湿性不足问题。

图文解析

图1系统展示了不同电解质体系（LD-GPE与LHCE-GPE）中的溶剂化结构对离子迁移的影响。通过HOMO-LUMO能级计算、拉曼光谱和分子动力学（MD）模拟，发现PFPN引入后，显著提升了Li+周围阴离子（TFSI⁻、DFOB⁻）的配位数，形成高度阴离子富集的局部高浓度环境，从而促进无机富集型SEI层的形成，增强界面稳定性

图2比较了传统液态电解质、LD-GPE与LHCE-GPE的燃烧性能，并进一步分析纳米纤维骨架NFM与PP膜的阻燃能力。结果显示，LHCE-GPE体系在“气体稀释+炭层隔热”双重机制下实现了自熄灭，且残碳率高达65%，通过TGA-FTIR和气质联用分析验证其分解产物可稀释氧气并抑制火焰传播，显著提升热安全性，适用于极端工况下的电池系统

图3通过阻抗谱、迁移数测试、电化学稳定窗口、对称电池长循环测试和原位光学显微成像，综合验证LHCE-GPE在导离子能力、Li+迁移速率、稳定窗口和锂枝晶抑制方面的显著优势。特别是在1 mA cm⁻²下无枝晶生长，在800小时内保持稳定电压，表明其SEI层致密、均匀，能有效提升电池长寿命和安全性

图4展示了SEI层的组成与空间分布。XPS结果表明LHCE-GPE系统中形成了更多含F、B元素的无机组分，有助于构建高弹性、稳定性的SEI层，抵抗锂枝晶生长。ToF-SIMS结果进一步确认Li-F和B-F在SEI中均匀分布，与有机碳酸盐共存，使SEI层既具机械强度又有良好的离子通道，显著提升电解质-电极界面相容性

图5以TEM和XPS手段分析了NCM811正极表面CEI层的形成机制与效果。LHCE-GPE体系下形成的CEI层厚度仅约10 nm，均匀且致密，抑制了电极材料结构破坏。XPS分析表明该体系CEI层富含无机Li-F、B-F成分，而LD-GPE体系则以厚重有机物为主，易阻碍电子迁移、加剧容量衰减。结果证明PFPN促进形成高稳定性CEI，是高电压长循环的关键

图6通过Li/LFP和Li/NCM811软包电池实测，系统验证LHCE-GPE在倍率性能、长循环稳定性、高电压适配性方面的显著优势。其在10 C电流密度下循环2000次容量衰减率仅0.0157%，远超当前主流聚合物电解质。在实际场景模拟中，该电解质软包电池在弯折、穿刺等严苛条件下仍可点亮LED灯带，展示出其卓越的综合性能与工程适应性

总结与展望

该工作通过静电纺丝技术成功开发了兼具高安全性和优异电化学性能的LHCE-GPE，为锂金属电池的实际应用提供了重要解决方案。其创新点包括：

● 双阻燃设计从分子层面提升了电池的安全性。

● 局部高浓度电解质优化了溶剂化结构，显著提升了界面稳定性。

● 静电纺丝技术为电解质的规模化制备提供了可行路径。

这项研究不仅为高安全锂金属电池的电解质设计提供了新范式，也凸显了静电纺丝技术在能源材料领域的广阔前景。期待未来更多产学研合作，推动这一技术从实验室走向产业化，助力全球能源存储技术的革新。