凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）因其在鋰金屬電池（LMB）中適度的綜合性能而引起了廣泛關(guān)注。然而，具有 MPa 級(jí)低彈性模量的 GPE 無法機(jī)械調(diào)節(jié)鋰沉積，難以抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。

在此，清華大學(xué)王海輝、華南理工大學(xué)王素清等人通過將多孔Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）骨架用作固體填料（PLF），以解決GPE的固有缺陷。通過引入PLF，復(fù)合GPE表現(xiàn)出GPa量級(jí)的超高彈性模量，在機(jī)械水平上對(duì)抗Li枝晶，并在Li||Li電池中實(shí)現(xiàn)高電流密度下的穩(wěn)定極化。

得益于與負(fù)極兼容的界面，LFP|PLF@GPE|Li 電池在室溫下具有出色的倍率性能和循環(huán)性能。理論模型表明，具有獨(dú)特3D結(jié)構(gòu)的PLF可以提供足夠的機(jī)械支撐，在納米尺度上有效增強(qiáng)GPE的凝膠相。

圖1. 結(jié)構(gòu)表征

總之，該工作通過將 PLF 合并到基于 PEGDA 的凝膠電解質(zhì)中，新型復(fù)合 GPE 可以實(shí)現(xiàn)界面穩(wěn)定的 LMB。具體而言，PLF賦予復(fù)合GPE連續(xù)的滲濾網(wǎng)絡(luò)和堅(jiān)固的3D支架。該復(fù)合GPE在室溫下具有1.80 mS cm^-1的高離子電導(dǎo)率、2.42 N的耐穿刺性和高達(dá)100 nm的優(yōu)異彈性模量4.2GPa。

AFM測(cè)試和數(shù)值模擬共同揭示了具有互連且開放的微米尺寸通道的PLF可以從納米尺度為凝膠相提供更多的機(jī)械支撐。PLF@GPE 結(jié)合了高離子電導(dǎo)率和機(jī)械剛性，在 Li||Li 電池中以 1 mA cm^-2 電流穩(wěn)定循環(huán)超過 1000 小時(shí)。模擬結(jié)果表明，隨著 GPE 彈性模量的增加，應(yīng)力積聚傾向于從枝晶根部轉(zhuǎn)移到 Li/GPE 界面。因此，該工作可對(duì)多物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的鋰電鍍機(jī)制有一個(gè)基本的了解，從而啟發(fā)機(jī)械可靠的 GPE 的設(shè)計(jì)。

圖2. 電池性能

An Ultra-High Modulus Gel Electrolytes Reforming the Growing Pattern of Li Dendrites for Interfacially Stable Lithium Metal Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202309677