研究亮點：
1. 將環氧末端的硅氧烷接枝在納米SiO2表面，能夠使其與聚醚胺反應，起到了交聯劑的作用，同時提升了凝膠聚合物電解質的電化學性能和力學性能。
2. 文章制備的三維交聯結構的復合聚合物電解質具有優異的電化學性能，對鋰金屬負極穩定，組裝的LFP電池循環500圈容量幾乎沒有衰減，電化學窗口寬，并能夠配合高電壓的正極材料進行循環。
3. 文章提供了一種提高凝膠聚合物電解質電化學性能的有效方法，并為高電壓電解質的發展提供了新的研究思路。
鋰金屬負極存在的挑戰
現代社會對高效儲能設備的迫切需求推動了鋰離子電池的快速發展和進步。鋰金屬負極的高比容量和極低的電位（3870 mAh g-1, -3.04 vs. standard hydrogen electrode）吸引了科研工作者的廣泛關注，有望大幅提升鋰電池的比容量和比能量。
目前鋰金屬負極仍有許多問題難以解決，主要有：（1）由于鋰離子的不均勻沉積而帶來的鋰枝晶生長問題，枝晶的生長不但會降低電池的容量，還會刺穿隔膜造成電池的內短路；（2）鋰金屬具有較強的還原性，易與液態電解液發生反應，鋰金屬負極在循環過程中還伴有體積膨脹，會不斷暴露出新的界面，持續的與液態電解液發生反應，生成不穩定的SEI膜。
只有解決這些問題，才能夠使鋰金屬負極真正的實用化。針對上述問題，研究者們也采取了諸多解決方案，包括集流體設計、人工SEI膜、電解液添加劑和固態電解質等。其中固態電解質被認為是最有效的解決方法。
固態電解質現狀及挑戰
固態電解質包括聚合物電解質和陶瓷電解質，但陶瓷電解質仍有許多問題，尤其是難以解決的固固界面問題。聚合物電解質因其較好的對鋰穩定性和力學性能吸引了大量研究工作者。現階段，固態聚合物的離子電導率還較低。引入塑化劑制備的凝膠聚合物電解質具有較高的離子電導率，有著廣闊的應用前景，是解決鋰金屬負極的問題的有效措施。為了實現凝膠聚合物電解質的規模化運用，還需進一步的提高其電化學性能，設計新型的凝膠聚合物電解質。
成果簡介
有鑒于此，清華大學深圳研究生院李寶華教授和曹江博士報道了一種3D交聯結構的復合聚合物電解質（3D-GCPE），其將表面接枝硅氧烷的納米SiO2作為交聯劑，起到了顯著提高聚合物電解質電化學性能和力學性能的作用。
圖1該復合聚合物電解質的結構及制備過程。
要點1：3D交聯結構的復合聚合物電解質的制備
如圖1，分為三步：
1. γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷通過與納米SiO2表面的羥基發生水解-縮合反應，接枝在其表面，使納米SiO2表面含有環氧官能團。
2. 接枝的納米SiO2與聚乙二醇二縮水甘油醚（PEGDE）和聚醚胺（DPPO）在80°C的條件下聚合，得到復合聚合物膜。納米SiO2表面的環氧基團會發生開環反應與氨基結合，起到交聯劑的作用。
3. 將復合聚合物膜浸泡在液態電解液中，吸收至飽和后，即可得到凝膠聚合物電解質。
要點2：3D交聯復合聚合物電解質的電化學性能
制備的凝膠復合聚合物電解質具有一種有機/無機復合的三維交聯網絡，這種網絡給電解質的性能帶來了極大提升。該凝膠復合聚合物電解質電化學性能優異，具有包括4.65×10-3 S cm-1的室溫離子電導率，5.4 V（vs. Li/Li+）的寬電化學穩定窗口，以及0.45的鋰離子遷移數。力學性能也較好，拉伸強度和斷裂伸長率分別達到了8.95 MPa和181.9 %。
該電解質對鋰金屬穩定性很好，組裝的Li/3D-GCPE4/LFePO4的循環性能和倍率性能優異，1C循環500圈后的容量保持率在90%以上，在10C的倍率下，仍能保持124 mAh g-1的高容量。另外，該電解質配合高電壓正極材料4.5 V的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2和4.9 V的LiNi0.5Mn1.5O4，同樣能表現出良好的循環性能。
圖文詳情：
圖2 (a) 線性PEO、純三維交聯聚合物（3D-GPE）和添加不同比例接枝納米SiO2的三維交聯聚合物（3D-GCPE2、3D-GCPE4、3D-GCPE6、3D-GCPE8和3D-GCPE10）的XRD圖譜，（b）幾種不同配方聚合物電解質的拉伸測試，（c）接枝納米SiO2的含量對聚合物電解質離子電導率的影響，（d）幾種不同配方的聚合物電解質和液態電解液的離子電導率隨溫度的變化（5 °C~85 °C）。
圖3（a）三維交聯聚合物電解質（3D-GPE）、三維交聯復合聚合物電解質（3D-GCPE4）和液態電解液的CV測試，（b）三維交聯復合聚合物電解質的鋰離子遷移數測試，（c-d）三維交聯復合聚合物電解質和液態電解液分別組裝的Li/Li電池的恒流極化測試。
圖4幾種電解質組裝的Li/electrolyte/LiFePO4電池的循環性能：（a）1C倍率下的長循環性能，（b）不同倍率下的性能，（c）該復合聚合物電解質和液態電解液在循環過程中的EIS測試及模擬電路（d-e）該復合聚合物電解質和液態電解液在循環過程中的過電勢變化。
圖5 （a）幾種電解質組裝的Li/electrolyte/ LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2電池的循環性能，（b）Li/3D-GCPE/LiNi0.5Mn1.5O4電池的循環性能。
小結
文章通過添加表面接枝硅氧烷的納米SiO2作為交聯劑，得到了一種電化學性能優異的復合聚合物電解質，其配合鋰金屬負極具有極好的穩定性，并能夠配合高電壓正極進行循環。該文提供了一種提高聚合物電解質電化學性能的有效方法，并為高電壓電解質的發展提供了新的研究思路。
參考文獻：
Yinghua Zhu, Jiang Cao*, HongChen, Qipeng Yu and Baohua Li*. High electrochemical stability of a 3Dcross-linked network PEO@nano-SiO2 composite polymerelectrolyte for lithium metal batteries. Journal of Materials Chemistry A,2019.
DOI: 10.1039/C9TA00560A
https://pubs.rsc.org/ru/content/articlelanding/2019/ta/c9ta00560a#!divAbstract
