近日，材料学院张胜教授团队在《Energy Storage Materials》(IF=17.8)上发表了题为“Constructing flame-retardant gel polymer electrolytes via multiscale free radical annihilating agents for Ni-rich lithium batteries”的学术论文，首次提出制备一种多尺度自由基湮灭剂——六氯环三磷腈交联的单宁酸微球(HT)，并将其应用于原位构建的聚乙二醇二丙烯酸酯基凝胶聚合物电解质(PEGGPE)，以提高其耐高压性和阻燃性。HT能够在环境温度下通过自由基湮灭，抑制高压下正极界面处的电解质分解，显著提高电解质对LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ (NCM811)高压正极的匹配性，同时在高温下释放含磷自由基，使电池具有更高的防火性能。

电动汽车市场的快速增长对新一代高能量密度、高安全性的锂电池提出了严格的要求。然而，实现这一目标仍面临重大挑战。例如，液体电解质易燃、易挥发，带来严重的安全隐患。此外，由于电解质的氧化稳定性不足，循环过程中在正极/电解质界面发生的严重寄生反应会降低电池性能，特别是匹配高压富镍三元正极时。电解质的多尺度寄生自由基反应不仅会降低电池性能，还会引发火灾。因此从根本上阻断自由基反应是同时改善电池性能和安全性的明智策略。本文为未来的研究提供了新的视角，有助于加速耐高压高安全聚合物电解质的研究及实际应用。

本工作通过简单的一步沉淀聚合，利用单宁酸和六氯环三磷腈合成具有光滑表面的典型球体HT，平均粒径为192 nm，其小尺寸便于浸入隔膜和电极中以构建完整而紧密的界面。在电解质与高压正极匹配时，HT产生的氢自由基能有效湮灭电解质电化学氧化形成的自由基，从而达到抑制电解质氧化的目的。此外，均匀分布的HT与PEGGPE相互作用，将显著影响电解质对Li⁺扩散特性。HT降低了Li⁺传输的活化能及阻抗，提高了扩散系数，并且与阴离子相互作用提升了Li⁺迁移数，这有利于缓解锂枝晶的发展，展示出对锂金属的优良匹配性。因此，当HT颗粒添加进聚合物电解质中后，电池性能表现优异。所组装的NCM811//Li电池在1 C下200次循环后容量保持率为85.3%，组装的LiFePO₄//Li电池在1 C下400次循环后容量保持率为96.4%。由于制备工艺简单，PEGGPE@HT有望实现大规模制造，NCM811//石墨软包全电池也具有出色的循环稳定性。有趣的是，即使与高负载NCM811正极（>10 mg cm^-2）和~50 μm 的薄锂负极匹配时，PEGGPE@HT仍然可以表现出非凡的电化学性能。此外，PEGGPE@HT具有阻燃性，可以赋予软包电池更高的防火安全性。更高的热稳定性和类固体的特性赋予了PEGGPE@HT软包电池出色的抗机械滥用性能。本工作为构建具有高能量密度和高安全性的锂电池提供了一种可行度高的解决方案。

本文共同第一作者为博士生朱涛和硕士生刘国庆，张胜教授为本文通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

  文章信息：Tao Zhu, Guoqing Liu, Dongli Chen, Jinxuan Chen, Peng Qi, Jun Sun, Xiaoyu Gu, Sheng Zhang. Constructing flame-retardant gel polymer electrolytes via multiscale free radical annihilating agents for Ni-rich lithium batteries, Energy Storage Mater. 2022, 50, 495-504.

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.05.051