由于金属锂负极具有极高的理论比容量（3860 mA·h·g?1）和最低的氧化还原电位（-3.04 V vs. 标准氢电极），锂金属电池被认为是实现下一代高能量密度储能系统最有前景的候选体系之一。凝胶聚合物电解质（GPEs）兼具聚合物的良好加工性与液态电解质的高离子电导率，展现出巨大应用潜力，但面临“高离子电导率”与“优异机械性能”难以兼得的困境：原位聚合或交联GPEs机械强度高，却因结构致密导致离子电导率偏低，而基于电纺膜的GPEs虽具有高孔隙率和连通孔道、离子传输快，但高孔隙率往往以牺牲机械强度为代价。因此，如何协同增强GPEs的机械性能与离子电导率，成为实现高安全与高电化学性能的关键科学问题。

  鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授、邓华夏教授团队与合肥大学梁鑫教授以及上海理工大学窦世学教授、刘化鹍教授合作提出一种仿石蚕蛾幼虫巢穴的凝胶聚合物电解质（CLC GPE），通过电纺PVDF-HFP纳米纤维网络模拟巢穴中的三维多孔蛋白质骨架，并将剪切增稠流体作为“沙粒”颗粒粘附并填充于纤维基质中，构建了独特的“颗粒-纤维”双网络结构，成功实现了体系机械性能和离子电导率的同步提升。

  相关研究成果以“A caddisfly larva case-mimicked gel polymer electrolyte with high toughness and enhanced ion transport for safe lithium metal batteries”为题，发表在国际知名期刊《Science Advances》上。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生刘泉和合肥大学梁鑫教授，通讯作者为龚兴龙教授、邓华夏教授和刘冰特任副研究员。该工作得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助与支持。

【CLC仿生结构的设计与优势】

  受自然界石蚕蛾幼虫建造的“刚柔并济”巢穴启发——其通过丝纤维粘结环境颗粒形成兼具通透性与力学鲁棒性的复合结构，团队提出一种具有高离子电导率和增强机械性能的仿生凝胶聚合物电解质（CLC GPE），通过静电纺丝技术制备的PVDF-HFP纳米纤维网络模仿了石蚕蛾幼虫巢穴的三维多孔支架结构，而浸入其中的STF则充当沙粒，附着并填充在纤维基质内，两者共同构建“颗粒-纤维”双网络结构。

图1

【高离子电导率与卓越力学兼得】

  通过优化得到STF含量为35 wt.%的CLC GPE，得益于多孔纤维结构与M-SiO₂对阴离子的锚定协同作用，其离子电导率达2.80×10^-3 S cm^-1，锂离子迁移数高达0.89。同时，“颗粒-纤维”双网络结构大幅提升了力学性能：穿刺能量相对于纯纤维结构提升7.5倍，韧性提升近5倍，并兼具优异的热稳定性和阻燃性。综合比较已报道的聚合物电解质体系，CLC GPE在离子电导率与韧性之间实现了出色的平衡，为高安全、高性能锂金属电池提供了理想方案。

图2

【CLC双网络的力学与电化学协同机制】

  通过有限元模拟和数字图像相关（DIC）技术揭示了CLC仿生结构的力学增强机制：相比纯PVDF-HFP膜，CLC的“颗粒-纤维”双网络结构有效分散了应力，使应变分布更均匀，避免了局部应力集中，从而显著提升了整体力学性能。分子动力学模拟进一步阐明了电化学性能提升的根源——M-SiO₂和BMIM⁺阳离子与PF₆^-之间具有较高的结合能，能够有效锚定阴离子，调节Li⁺的溶剂化层，促进锂盐解离。CLC GPE中自由Li⁺的比例达32.3%，高于PVDF-HFP GPE体系（27.0%），从而实现了更快的Li⁺传输动力学。综上，受石蛾幼虫巢穴启发的“颗粒-纤维”双网络结构，通过协同调控力学均匀性与离子解离行为，同步增强了体系的机械性能和离子电导率。

图3

【CLC软包电池的动态安全性能】

  通过弹道冲击、落锤、针刺及压缩等测试系统评估了CLC GPE软包电池的抗冲击性能。得益于骨架增强结构与STF的剪切增稠效应，CLC膜在150.1 km/h子弹冲击下保持完整，而对照膜被击穿。采用CLC GPE的软包电池在两次高速冲击后仅电压微动、未短路，循环性能几乎不受影响；而对照电池电压骤降、容量大幅衰减。此外，CLC电池在3.3 J落锤冲击、针刺及压缩下均未发生短路或漏液，展现出卓越的动态防护能力与高安全应用潜力。

图4

【CLC GPE的抑制锂枝晶生长能力】

  得益于仿生“颗粒-纤维”双网络结构及M-SiO₂对阴离子的锚定作用，CLC GPE展现出优异的抑制锂枝晶能力。其电化学稳定窗口高于4.5 V，锂成核过电位低至23.4 mV，界面电荷转移电阻显著降低。在0.5 mA cm^-2下，Li||CLC GPE||Li对称电池可稳定循环超过800小时，电压极化仅14 mV（0.1 mA cm^-2）。循环后锂负极表面致密光滑，无枝晶生长和体积膨胀，而对照组则出现严重枝晶与短路。该电解质有效稳定了电极/电解质界面，为实现高安全长寿命锂金属电池提供了关键保障。

图5

【CLC GPE全电池的卓越电化学性能和热、机械耐受能力】

  基于CLC GPE组装的全电池展现出卓越的电化学性能：在0.5C循环700圈后容量保持率达97.6%，2C下1000圈后仍保持89%。该电解质诱导生成富含LiF和Li₂CO₃的致密SEI层，有效抑制枝晶生长并稳定界面。在高负载（13.53 mg cm^-2）软包电池中，0.5C循环300圈容量保持91.7%；软包电池在折叠、切割及150 °C高温下仍能正常供电，展现出优异的机械柔韧性与热耐受能力。

图6

  总体而言，本研究受石蚕蛾幼虫巢穴结构启发，设计了一种“颗粒-纤维”双网络凝胶聚合物电解质（CLC GPE），同步实现了高离子电导率与优异的力学性能（高韧性、抗穿刺、抗冲击、阻燃）。该电解质能有效抑制锂枝晶生长，显著提升锂金属电池的安全性。所组装的对称电池和全电池均展现出长期循环稳定性与高倍率性能，为下一代高安全、高性能锂金属电池提供了可行的仿生设计策略。

  原文链接：Quan Liu, Xin Liang, Bing Liu, Yuan Yuan, Kang Wang, Yuxin Xia, Bingbing Li, Huakun Liu, Shixue Dou, Xiang Li, Huaxia Deng, Xinglong Gong. A caddisfly larva case–mimicked gel polymer electrolyte with high toughness and enhanced ion transport for safe lithium metal batteries. Sci. Adv.12, eaed3988 (2026).

  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed3988