锂金属电池(LMBs)凭借其高理论容量和低电极电位的优势，被认为是下一代电池中最具竞争力的候选者之一。然而，传统液态电解质锂金属电池的实际应用仍受到三个重要因素的根本性制约：1.锂枝晶不均匀生长容易刺穿隔膜导致严重的热失控；2.高温条件下不稳定分解引发的断崖式失效；3.高压条件下极易氧化不能应用于高压电极。固态电解质(SSEs)凭借增强的化学稳定性和机械强度能较好的抑制这几个因素，但不可避免的出现电化学性能下降和界面问题等缺陷。

针对以上问题，谢海波教授团队报道了一种混合分子工程与原位聚合策略制备的耐高温高压凝胶聚合物电解质（PTCEA-GPE）。该电解质具有5.6 V的宽电化学稳定窗口、高锂离子迁移数（0.64）及优异的电化学稳定性。采用Li||LiFePO₄电池在120 ℃和150 ℃的高温下循环200次后，容量保持率分别达89.2 %和82.4 %。而且，即便在4.5 V高压条件下，Li||LiCoO₂电池也能在100次充放电循环中保持近乎恒定的容量。此外，1 Ah级Li||LiFePO₄软包电池在400次循环后仍保持86.3 %的比容量，且在针刺测试没有发生热失控现象，这在电动汽车及其他相关领域具有极大的潜力。

图1 PTCEA-GPE的分子设计及其制备流程

该工作首先对PTCEA-GPE的基础电化学性能进行分析。得益于碳酸酯和醚氧等极性基团和原位聚合策略，PTCEA-GPE展现出高离子电导率（1.82×10^-4 S cm^-1）、宽电化学稳定窗口（5.6 V）和高锂离子迁移数（0.64），超越了许多已报道的醚类电解质和准固态电解质，显示出优异的电化学性能。DFT计算结果表明，碳酸酯基团的引入显著降低了单体的HOMO能级，提高氧化稳定性，使PTCEA-GPE可适用于高压正极。且负电荷集中于醚键和碳酸酯基团，Li⁺与这些基团的强结合能体现高溶解性，表现出更快的Li⁺溶剂化过程，有利于电池快速放电。MD分子动力学模拟实现径向分布函数，验证了聚合物对Li⁺传输的促进作用。

图2 PTCEA-GPE的电化学特性表征及锂离子在电解质中的配位环境

通过组装的Li||Li对称电池被用于表征PTCEA-GPE和Li电极之间的长循环稳定性。 PTCEA-GPE 在对锂长循环稳定循环超1000 h，而传统液态电解质（LE）在750 h便出现短路现象，并且，PTCEA-GPE能承受1 mA cm^-1的高电流密度以及在高温150 ℃下稳定循环400 h，充分说明了PTCEA-GPE的稳定性及与锂金属的相容性。通过扫描电镜（SEM）分析显示，PTCEA-GPE有效抑制了锂枝晶生长，而LE则表现出严重的枝晶和死锂积累问题。PTCEA-GPE通过形成电化学稳定界面，显著改善了电极-电解质接触并抑制了锂枝晶的形成与扩展，从而增强了循环稳定性，后续的XPS分析中C-O和C=O峰强度增加也能说明这一点。

图3 PTCEA-GPE的Li||Li对称电池的长循环表征

随后，测试了PTCEA-GPE在高能量密度Li||LiFePO₄电池中的电化学性能。PTCEA-GPE在3.6 V和3.3 V处显示出明确的氧化还原峰，并且在不同倍率下展现出高可逆性及稳定的容量输出，更重要的是，在0.1 C和0.5 C下分别经过50次和200次循环后，仍保持接近100%的容量保持率，极化现象非常小，表明PTCEA-GPE的界面稳定性优异。也可以归因于原位聚合过程使PTCEA-GPE与LiFePO₄正极形成紧密接触，构建连续电解质网络，有效降低了界面阻抗并提升了离子传输效率。

图4 PTCEA-GPE在Li||LiFePO₄电池中的表征

良好的阻燃性是高安全性LMBs的关键要求，高温电解质可降低热失控风险并拓展LMBs应用范围。PTCEA-GPE的前驱体PTTL在火焰直燃8秒后仍保持完全不燃，并且PTCEA-GPE膜在150 ℃下1小时仍保持原始形态，展现出极好的阻燃性和热稳定性。组装的Li|PTCEA-GPE|LiFePO₄电池在120 ℃和150 ℃下分别实现89.2%和82.4%的容量保持率，显著优于传统PAN和固态电解质(SPE)。由于PTCEA-GPE具有高氧化稳定性窗口，在高电压下表现出极低副反应和界面稳定性，适合高电压电池应用。

图5 PTCEA-GPE在高温高压下稳定性表征

最后，制备了1 Ah级Li|PTCEA-GPE|LiFePO4软包电池，展现了高可逆放电容量和优异的循环稳定性，400次循环后容量保持率超过86.3 %。后续又对其进行了针刺测试，结果表明，PTCEA-GPE在极端机械滥用条件下表现出卓越的安全性，电压仅短暂下降后迅速恢复。测试过程中电池温度波动小，未出现热失控、燃烧或爆炸现象，验证了其出色的热稳定性。证明PTCEA-GPE在实际应用中具备优异的电化学性能和安全性，特别是在高机械应力条件下的可靠性。

图6 PTCEA-GPE在1 Ah Li||LiFePO₄软包电池中的长循环性能及其安全性测试

在该工作中，提出原位CO₂捕获与转化理念，设计合成可聚合TGAB单体并开发先进凝胶电解质（PTCEA-GPE）。PTCEA-GPE通过分子工程整合-C-O-C-、-C-C-S-和-O-C(=O)-O-片段，实现高离子电导率、宽电化学窗口及高离子迁移数。原位聚合确保电极完全浸润，降低界面阻抗，促进均匀锂沉积与稳定SEI形成，同时静电纺PAN基质增强热稳定性。软包电池长循环与钉刺测试验证PTCEA-GPE的高稳定性和安全性。该研究为同时解决下一代锂金属电池高温稳定性和高压兼容性等关键挑战提供了重要见解。

该研究成果以“High-Temperature and High-Voltage Gel Polymer Electrolytes for Lithium-Metal Batteries: Integrating Hybrid Molecular Engineering and In Situ Polymerization Strategy”为题在线发表于国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上，DOI: 10.1002/adfm.202510652 (IF=19)。贵州大学硕士研究生张洪滔和博士研究生谢椿辉为论文共同第一作者，通讯作者为贵州大学谢海波教授、徐芹芹副教授和中南大学韦伟峰教授。

图文：张洪涛，黄彩娟

一审：谢海波

二审：赵飞

三审：刘剑