液態(tài)電解質的泄漏和鋰枝晶的形成對鋰金屬電池的安全性和穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。凝膠聚合物電解質的出現(xiàn)明顯提高了傳統(tǒng)鋰金屬電池的安全性。然而，凝膠聚合物電解質對鋰枝晶的抑制作用是有限的，不利于鋰金屬電池的安全性。本工作采用靜電紡絲和浸泡法制備了一種具有高離子電導率、耐高溫、阻燃性能的新型凝膠聚合物電解質，旨在為設計制備實用安全的鋰金屬電池提供實驗研究。

本文將PVDF-HFP與明膠(GN)結合，采用靜電紡絲和浸泡法制備了一種凝膠聚合物電解質（GPE）。由于PVDF-HFP本身具有C-F化學鍵和足夠的電解質吸收能力，因此成為凝膠聚合物電解質的框架。而且，靜電紡絲PVDF-HFP使得HFP-GN GPE具有優(yōu)異的離子電導率(1.27 × 10^-3 S cm^-1)和液體電解質的潤濕性。此外，GN是一種典型的生物基材料，可以在熱水中溶解，形成熱可逆凝膠，可以提高凝膠電解質的力學強度。同時，該材料本身具有酰胺、氨基、羧基等多種極性基團，有利于抑制鋰枝晶生長，避免破壞鋰負極的表面。最終，基于三維網絡結構和極性基團的協(xié)同作用，采用HFP-GN GPE組裝的鋰金屬電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性：Li//Li電池在1 mA cm^-2和1 mAh cm^-2時具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，在5 C下循環(huán)300次后，LiFePO₄/HFP-GN GPE/Li的容量為61.4 mAh g^-1，容量衰減率為0.09%；在2 C下循環(huán)400次后，LiCoO₂/ HFP-GN GPE/Li電池的容量保持率高達74%。

采用靜電紡絲和浸泡法制備了一種凝膠聚合物電解質，這種凝膠電解質利用PVDF-HFP的靜電紡絲網絡和自身對液體電解質的吸收性，使這種電解質更有利于離子的傳輸和凝膠的形成。同時，具有溶膠-凝膠特性的GN提高了HFP-GN GPE的力學性能。具體過程如圖1所示，首先對PVDF-HFP溶液進行靜電紡絲處理，得到PVDF-HFP靜電紡絲膜；其次，由于PVDF-HFP的疏水性和乙醇與水的互溶性，將PVDF-HFP膜先用無水乙醇浸潤，再用80 ℃的GN溶液浸潤。然后，當PVDF-HFP膜冷卻至室溫時，將溶膠-凝膠后的GN成功引入PVDF-HFP膜中，得到復合HFP-GN。最后，將HFP-GN浸泡在液體電解質中，得到HFP-GN GPE，進行電池的組裝。

通過XPS測試驗證了GN中極性基團與Li⁺之間的相互作用。如圖2(a, b)所示，與初始LiPF₆相比，在吸收了LiPF₆的HFP-GN中，Li1s的峰值向結合能較低的范圍移動。這說明給電子的極性基團的電子從N或O向Li⁺轉移，增加了Li⁺周圍的電子云密度。此外，在圖2(c-f)中，在吸收LiPF₆后，HFP-GN的N1s和O1s明顯轉移到比純HFP-GN更高的結合能位置。這可能是由于極性基團的N和O原子周圍的電子云密度降低所致。除此之外，通過DFT計算驗證了GN對HFP-GN三維網絡在構建Li⁺滲透通道中的作用，表明GN與Li⁺之間存在強相互作用。因此，GN的引入減弱了Li-PF₆的相互作用，提高了LiPF₆的解離程度。

Celgard、PVDF-HFP和HFP-GN GPEs的離子傳輸能力是電池電化學性能的基礎。由圖3(a)可知，在25 ℃時，Celgard、PVDF-HFP GPE和HFP-GN GPE的離子電導率分別為0.83×10^-3 S cm^-1、1×10-^-3 S cm^-1、1.27×10^-3 S cm^-1。HFP-GN GPE具有較高的離子電導率，能較好地滿足實際應用的要求。在圖3(b)中，HFP-GN GPE的活化能為0.074 eV，略低于Celgard和PVDF-HFP GPE。說明鋰離子在HFP-GN GPE中的傳輸需要很少的能量和勢壘。此外，在圖3(c)中，HFP-GN GPE的較寬的電化學穩(wěn)定窗口，表明HFP-GN GPE具有良好的電化學穩(wěn)定性和抗氧化性。更重要的是，如所示，HFP-GN GPE的t+為0.54，高于無有效鋰離子輸運通道的Celgard（圖3(d-f)）。這一結果源于于HFP-GN GPE具有三維多孔網絡結構和極性基團與Li⁺的配位作用（圖3(i)）。

最后，本工作系統(tǒng)評估了HFP-GN GPE在鋰電池方面的應用能力。實驗采用高壓LiCoO₂作為正極組裝電池。結果表明：通過組裝測試LiCoO₂//Li電池，LiCoO₂/HFP-GN GPE/Li始終保持著優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在2 C下循環(huán)400次后，LiCoO₂/HFP-GN GPE/Li電池的容量保持率高達74%（圖4）。

圖4. 由Celgard和HFP-GN GPE組裝的LiCoO₂//Li電池的電化學性能：(a) LiCoO₂/Celgard/Li和(b) LiCoO₂/HFP-GN GPE/Li在1C下的充放電曲線；(c)電化學阻抗；(d) LiCoO₂/HFP-GN GPE/Li在1 mV s^-1下的CV曲線；LiCoO₂//Li電池在(e) 1C和(g) 2C下的循環(huán)性能，(f) LiCoO₂//Li電池的倍率性能。

Hu X, Liu K, Zhang S, et al. A functional gel polymer electrolyte based on PVDF-HFP/gelatin toward dendrite-free lithium metal batteries. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6230-0.