陕西格斯塔新能源技术有限公司

科研计算、模拟服务：含第一性原理（DFT）、吉布斯自由能计算（NEB）、分子动力学（MD）、有限元分析（FEA）、相场模拟（Phase-Field Model）等电池热/电/流场耦合模拟，解析微观机理、优化设计，为科研突破提供硬核数据支撑！

【研究背景与核心问题】

在下一代储能技术发展中，准固态锂金属电池凭借高能量密度、高安全性成为传统锂离子电池的优选替代方案，凝胶聚合物电解质（GPEs）是其核心组成部分，兼具液态电解质的润湿性与固态电解质的无泄漏优势。传统原位聚合制备凝胶聚合物电解质的技术，依赖光、热或路易斯酸盐类有机引发剂，存在诸多产业化与可持续性瓶颈：引发剂稳定性差、易失活且难以回收，电极界面易形成结构松散的电解质界面相，无法抑制锂枝晶生长，同时制备过程能耗高、易产生有毒副产物，难以实现低成本规模化生产。

当前核心挑战在于：突破传统原位聚合的引发体系与制备范式，开发无有机引发剂、可循环、环境友好的聚合策略，实现凝胶聚合物电解质的绿色可控制备，同时优化电解质-电极界面性能，兼顾电池的高电化学性能与产业化生产的经济性、可持续性。

【研究团队与技术手段】

本研究由西安交通大学丁书江教授、王元坤教授、李娜副教授团队领衔，提出闭环可回收的界面生长聚合（IGP）策略，以二硫化钼（MoS₂）为无机可循环引发剂，在常温无外源能量输入条件下触发1,3-二氧戊环（DOL）开环聚合，形成有机-无机复合凝胶电解质。相关成果以“Closed-loop recyclable interfacial growth polymerization enables scalable and economical quasi-solid-state lithium metal batteries”为题发表于Joule。

材料制备 ：将MoS₂通过真空抽滤或卷对卷涂布法负载在聚丙烯隔膜上制备IGP功能化隔膜，注入DOL/LiTFSI电解液后，在隔膜表面原位引发聚合形成复合凝胶电解质；通过简单的洗涤、干燥实现MoS₂的闭环回收与重复利用。

结构表征 ：利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析聚合过程的结构变化；通过X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收精细结构（XAFS）解析MoS₂的电子态与配位环境；借助扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）观察电解质微观形貌与电极界面结构；采用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析固体电解质界面相（SEI）的成分与空间分布。

性能测试 ：通过交流阻抗谱测试离子电导率；利用线性扫描伏安法（LSV）评估电化学稳定窗口；构建锂对称电池、锂/磷酸铁锂（LFP）、锂/高镍三元（NCM811）扣式电池及7Ah软包电池，考核循环性能、倍率性能、锂枝晶抑制能力；通过塔菲尔曲线、临界电流密度测试分析锂阳极的沉积/剥离可逆性。

理论计算 ：基于密度泛函理论（DFT）计算界面吸附能与电荷密度分布，阐释聚合引发机制与离子传输规律；通过分子动力学（MD）模拟分析电解质中的锂盐溶剂化结构与离子扩散行为；利用相场模拟研究电极界面的离子通量分布。

核心机制：界面生长聚合的引发与性能调控原理

新型复合凝胶电解质的性能突破源于MoS₂基无机引发剂的可循环特性与有机-无机复合界面的协同调控作用，具体可拆解为三方面：

界面聚合的引发机制 ：MoS₂表面的Mo 3d空轨道与LiTFSI中TFSI⁻的O 2p孤对电子形成Mo-O键，引发电子重分布并在TFSI⁻的S原子上形成亲电位点，该位点与DOL分子的O原子相互作用触发开环聚合，整个过程在常温下自发进行，无需外源能量与有机引发剂。MoS₂在聚合后保持结构完整性，经二氯甲烷洗涤、真空干燥后可实现闭环回收，首次回收率超95%，且能多次重复保持引发活性。

离子传输的界面调控机制 ：MoS₂与聚合物形成的复合界面存在S-Mo电荷梯度，可选择性吸附Li⁺与TFSI⁻，弱化Li⁺与聚合物链的强配位作用，促进锂盐解离并构建阴离子富集的溶剂化结构，降低离子迁移能垒；同时复合界面加速体相Li⁺传输，实现均匀的电极界面离子通量分布。

稳定界面相的形成机制 ：阴离子富集的溶剂化结构促使锂阳极表面形成以LiF、Li₂S为主的无机富相SEI，该界面相结构致密、力学稳定性高，能有效抑制锂枝晶的生长与穿透；同时在高电压正极表面形成无机富相阴极电解质界面相（CEI），抑制电解液氧化分解与正极材料结构退化，提升电极界面的电化学稳定性。

关键调控杠杆：定向优化电解质与电池性能

基于界面生长聚合机制，研究通过多维度参数调控实现电解质性能与电池应用的精准优化：

引发剂选型调控：遵循“电荷梯度-引发活性”匹配准则，二硫化钼（MoS₂）、二硫化钴（CoS₂）等二维过渡金属硫族化合物（2D TMDs）均具备引发环醚类单体聚合的活性，其中MoS₂表现出最优的引发效率与循环回收性能；同时该策略可拓展至环氧类单体的聚合，适配多种电解质体系。

制备工艺调控：优化MoS₂的负载量与涂布工艺，在隔膜表面形成均匀的MoS₂涂层，保证聚合反应的均匀性；通过卷对卷涂布法实现IGP功能化隔膜的规模化制备，调控涂布速度与干燥温度，兼顾生产效率与隔膜性能。

电解液组分调控：引入氟代碳酸乙烯酯（FEC）、四氟乙基三氟乙基醚（TTE）等添加剂，提升复合电解质的高电压稳定性，适配NCM811等高镍三元正极；调整DOL与其他醚类溶剂的比例，优化电解质的离子电导率与界面兼容性。

【研究成果与普适性意义】

核心性能突破

电解质基础性能：所制备的复合凝胶电解质在30℃下离子电导率达0.25 mS cm⁻¹，电化学稳定窗口拓展至5.15 V（vs. Li/Li⁺），远优于传统PDOL基电解质；MoS₂引发剂可实现闭环回收与多次重复利用，第10次回收后仍保持一定的引发活性，解决了传统引发剂的回收难题。

锂阳极稳定性：锂对称电池在0.2 mA cm⁻²电流密度下稳定循环超3000 h，临界电流密度提升至2 mA cm⁻²，塔菲尔测试显示交换电流密度达4.265×10⁻¹ mA cm⁻²，远高于传统电解质，实现锂阳极的均匀沉积/剥离，有效抑制锂枝晶生长。

全电池电化学性能：锂/LFP扣式电池在1C下循环3000圈无失效，500圈容量保持率达87.5%；锂/NCM811扣式电池在0.5C下200圈容量保持率达77.4%，高载量正极（10 mg cm⁻²）体系下库伦效率稳定在99%以上；7Ah锂/NCM955软包电池在0.3C下50圈容量保持率超80%，能量密度达418 Wh kg⁻¹，满足产业化应用的性能要求。

规模化制备经济性：通过卷对卷涂布法实现100米级IGP功能化隔膜的规模化制备，复合凝胶电解质的制造成本降至0.67美元/平方米，仅为传统溶液浇铸法PEO电解质的3.3%，大幅降低了制备成本；制备过程无有毒副产物产生，符合绿色可持续的产业化要求。

机制普适性：革新准固态电解质的制备范式

界面生长聚合策略打破了传统原位聚合对有机引发剂与外源能量的依赖，通过模拟自然界“种子萌发”的过程，实现了电解质的原位生长与电极界面的无缝整合。该机制适用于多种二维过渡金属硫族化合物引发剂，可触发环醚、环氧等多种单体的聚合，为解决传统凝胶聚合物电解质的制备瓶颈与界面性能问题提供了通用设计框架，推动准固态电解质从“传统引发聚合”向“可循环界面生长聚合”的范式转变。

【核心内容】

图1 IGP 的表征与作用机理

(A) 传统原位聚合反应示意图。

(B) 种子生长为植株过程的示意图。

(C) 室温下 MoS₂ 引发DOL 聚合反应的示意图。

(D) 凝胶化前后 MoS₂ 的XRD 图谱。

(E) 凝胶化前后 MoS₂ 的SEM 图及对应的EDS 能谱面扫图（标尺：5 μm）。

(F) 凝胶反应 10 min 后MoS₂ 的TEM 图。

(G) TFSI⁻ 促进 DOL 在MoS₂ 表面发生开环聚合（ROP）的反应机理。

(H) LiTFSI 与 MoS₂ 作用后的结构及对应的差分电荷密度切面图。

(I) LiTFSI 在 MoS₂ 上吸附前后的键长变化。

(J) IGP 引发剂闭环回收与再利用示意图（DCM 为二氯甲烷）。

(K) 不同回收次数后 MoS₂ 的XRD 图谱。

(L) 不同闭环回收次数下，MoS₂ 引发DOL 开环聚合的转化率。

图2 IGP 隔膜与复合凝胶电解质的制备及表征

(A) IGP 隔膜与复合凝胶电解质的制备示意图。

(B) 滴加 DOL 电解液前后，IGP隔膜的SEM 表面形貌图。

(C) MoS₂/PP 与 MoS₂-PDOL/PP 的开尔文探针力显微镜（KPFM）表面电势图及对应表面电势变化曲线。

(D) MoS₂/PP 与 MoS₂-PDOL/PP 的 XRD 图谱。

(E) IGP 隔膜在电池内部与电解液接触后，离子电导率随时间的变化。

(F) IGP 隔膜暴露于 DOL 电解液后，FTIR光谱随时间的变化。

(G) MoS₂-PDOL 在 Mo K 边的归一化XANES 谱图。

(H) MoS₂-PDOL 在 Mo K 边的EXAFS 谱图；以MoS₂、MoO₃和 Mo 箔作为参比样。

(I–K) 分别为 Mo 箔(I)、MoS₂(J)和MoS₂-PDOL (K) 的小波变换（WT）图。

图3 MSPP-LiTFSI 凝胶电解质的性能与 Li⁺ 传输机理

(A) MSPP-LiTFSI 与 PDOL-LiTFSI 的电导率 (σ) 随温度变化曲线。插图为不同电解质的活化能Ea。

(B) MSPP-LiTFSI 与 PDOL-LiTFSI 中电解质电势随时间的变化曲线。插图分别为 MSPP-LiTFSI 在 0、0.5、1 s 时的电解质电势分布（红色箭头的大小与方向分别代表 Li⁺ 浓度与迁移方向）。

(C) Li⁺ 与 TFSI⁻ 分别在PDOL 界面及MoS₂-PDOL 界面的吸附能。

(D) MSPP-LiTFSI 与 PDOL-LiTFSI 在 TFSI⁻ 特征峰区间的拉曼光谱。

(E) 室温下，采用不同电解质的 Li/SS 电池在10 mV s⁻¹ 扫描速率下的线性扫描伏安曲线（LSV）。

(F) Li⁺ 分别在 PDOL 体系及MSPP-LiTFSI 界面处的迁移行为。

(G–I) MoS₂-PDOL 界面分别在 1 ps (G)、50 ps (H)、100 ps (I) 时的分子动力学（MD）模拟图。

PDOL 与 DOL 以线棒模型表示，其中灰色、红色、白色分别代表碳、氧、氢；

Li⁺ 与 TFSI⁻ 以球棍模型表示，其中红色、灰色、浅蓝色、深蓝色、黄色分别代表氧、碳、氟、氮、硫。

(J, K) 由分子动力学模拟计算得到的，Li⁺ 相对于氧物种的径向分布函数 RDF g(r) 与配位数CN n(r)：MSPP-LiTFSI界面(J)、PDOL-LiTFSI (K)。

(L) 400 ps 内，Li⁺ 与TFSI⁻ 分别在MSPP-LiTFSI 界面及PDOL-LiTFSI 中的均方位移（MSD）。

图4 MSPP-LiTFSI 体系中富无机相SEI 的生成过程与组成

(A) 不同电解质下 Li/Cu 电池在扫描速率0.1 mV s⁻¹ 时的首圈及第二圈循环伏安曲线（CV）。

(B) 图 (A) 中不同CV 循环下，相对于Li⁺/Li 在+ 0.4～+0.8 V 区间内还原峰的绝对峰电流对比。

(C) 不同电解液所形成 SEI 的生成路径示意图。锂负极表面蓝色片状结构代表脆弱的富有机相 SEI，红色包覆层代表致密稳定的富无机相 SEI。

(D, E) 匹配 PDOL-LiTFSI（D）与 MSPP-LiTFSI（E）电解液的 Li/Li 电池在充电过程中，电极近表面处 TFSI⁻特征峰的原位拉曼光谱。

(F) 对应原位拉曼光谱中 748 cm⁻¹ 处峰强的变化曲线。浅色区域由数据点包围，反映相邻数据点的波动范围；蓝色曲线对应图 (D)，红色曲线对应图 (E)。

(G) 展示图 (F) 中数据点分布的箱线图。箱体边缘由数据的四分位数确定。

(H, I) 在 PDOL-LiTFSI（H）与 MSPP-LiTFSI（I）中循环后，锂负极表面 CNO₂F₃S⁻的飞行时间二次离子质谱（ToF‑SIMS）三维/ 二维分布图。

(J) 不同电解液中形成的 SEI 里LiO⁻、Li₂S₂⁻与 LiF₂⁻的ToF‑SIMS 三维分布。

(K, L) 分别在 PDOL-LiTFSI（K）与 MSPP-LiTFSI（L）中循环后，锂负极表面若干典型二次离子碎片的 ToF‑SIMS 归一化深度剖析图。浅橙色竖条指示无机相 SEI 区域。

图5 MSPP-LiTFSI 凝胶电解质的电化学性能及锂枝晶抑制能力

(A) 不同电解质下锂对称电池的塔菲尔曲线（Tafel plots），插图为−0.02～0.01 V 区间的局部放大曲线。

(B) 锂对称电池在 0.05～1.0 mA cm⁻² 电流密度下的临界电流密度（CCD）曲线；各电流密度下锂沉积 / 剥离时长均为1 h。

(C, D) 锂对称电池 Li|MSPP-LiTFSI|Li 与 Li|PDOL-LiTFSI|Li 在

0.2 mA cm⁻²（沉积 / 剥离1 h/1 h）(C)及1 mA cm⁻²（沉积/ 剥离0.5 h/0.5 h）(D)条件下的循环曲线，插图为局部放大视图。

(E) 不同电解质循环后锂负极表面 Li⁻ 碎片的飞行时间二次离子质谱（ToF‑SIMS）归一化深度剖析；插图为对应 Li⁻ 的三维分布。

(F, G) 不同循环时间下 Li|MSPP-LiTFSI|Li (F) 与 Li|PDOL-LiTFSI|Li (G) 锂对称电池的分布弛豫时间（DRT）分析。

(H, I) Li|MSPP-LiTFSI|Li 电池 (H) 与Li|PDOL-LiTFSI|Li 电池(I) 的DRT 分析中，SEI区、电荷转移区及扩散区主要特征峰的演变。

(J, K) 实时光学显微镜表征的锂电沉积形貌演变：PDOL-LiTFSI (J) 与 MSPP-LiTFSI (K) 体系中锂金属电极在锂沉积后的形貌；

电流密度1 mA cm⁻²，测试时长60 min。

图6 MSPP-LiTFSI 凝胶电解质的全电池性能

(A, B) 采用不同电解质的锂 / 磷酸铁锂（Li/LFP）扣式电池在 1 C 倍率下的循环性能 (A) 与倍率性能(B)。

(C, D) 采用不同电解质的锂 / 811 三元（Li/NCM811）扣式电池在 0.5 C 倍率下的循环性能 (C)，以及使用MSPP-LiTFSI 电解质的电池在不同循环圈数下对应的电压曲线 (D)。

(E–G) 采用高负载正极、不同电解质的 Li/NCM811 扣式电池在0.2 C 倍率下的循环性能 (E)，对应第1 周与第20 周的dQ/dV 曲线(F)，以及循环后NCM811 正极表面的XPS 分析(G)。

(H) 取自 (E) 中循环后的NCM811 正极SEM 图，以及对应的NCM811 颗粒TEM 图（TEM插图标尺为1 nm）。

(I–K) 搭载不同电解质的 Li/NCM811 扣式电池，在3.0~4.3 V（vs. Li/Li⁺）、0.1 C 条件下首圈循环过程中的界面阻抗演变 (I)，以及Li|MSPP-LiTFSI|NCM811 电池(J) 和Li|PDOL-LiTFSI|NCM811 电池(K) 对应的DRT 分析。

图7 大面积IGP 隔膜的制备、性能验证及成本分析

(A, B) 大面积 IGP 隔膜在展开过程(A) 及闭环回收再利用过程 (B) 中的实物照片（为清晰观察 IGP 隔膜表面是否残留聚合物，在 DOL 电解液中添加了亚甲基蓝染料）。

(C) 不同环氧树脂体系与部分过渡金属硫族化合物（TMDs）接触后的状态照片（红色虚线标注区域为液态混合物，其余为类固态）。

(D, E) 不同工艺制备的聚合物电解液，其生产总成本随电解液制备面积的变化曲线 (D)，以及对应工艺下单位面积生产成本的分布情况 (E)。

(F) 7 Ah 锂 / 三元NCM955 软包电池在0.3 C 倍率下的长循环性能；插图为该软包电池实物照片。

(G) IGP 工艺与其他制备工艺在不同维度上的对比。

文章转自微信公众号“能源知行者”