人类生活水平的提高使得对能源的需求也日渐升高。应用广泛的优点让锂离子电池的重要性不言而喻。但是,比容量低已越来越成为限制其发展的瓶颈。锂金属电池理论上可大幅提升比容量,但是锂枝晶生长可造成电池的不稳定与不安全性,因而,设计能抑制锂枝晶生长的电解质对优化锂金属电池具有重要的意义。本文为抑制锂金属电池的枝晶生长,通过原位交联法制备了锂单离子凝胶态聚合物电解质,并对不同交联度的聚合物电解质进行了物理性能和电化学性能分析,得出最优的交联比例,揭示了该凝胶电解质的作用机理。主要研究内容如下:1.合成了一系列带有强极性基团的锂单离子单体,包括对苯乙烯基三氟甲基磺酰亚胺锂(LiSTFSI)和乙烯基双苯磺酰亚胺锂(LiSSPSI),通过核磁共振氢谱以及红外光谱分别检测了这两种单体的结构。2.通过原位交联的方法,以AIBN作为引发剂,成功合成了侧链为STFSI-基团、含有不同比例的交联剂和单体的聚合物膜(Single Lithium Ion Membranes,SLIMs),并将SLIMs 浸泡在电解液(1.0 M LiTFSI,0.1 M LiNO3 in DME:DOL=1:1 vol%)中,待吸收饱和后,得到了锂单离子凝胶态聚合物电解质(Single Lithium Ion Gel Polymer Electrolytes,SLIGPEs)。通过场发射扫描电镜对膜的表面和截面形貌进行了分析,证明该电解质膜具有均一稳定的结构可与电极界面接触良好。通过红外光谱分析了不同交联度的SLIMs,通过热重分析得到了 SLIMs的热分解温度。根据SLIMs的热重分析结果和X射线衍射结果,对合成的聚合物膜中STFSI-基团的接枝含量进行了计算,得到的结果与投料质量分数基本一致。通过差示扫描量热分析,测试其玻璃化转变温度(Tg),证明其在温度测试范围内都保持无定形状态,SLIMs聚合物膜的X射线衍射图数据也验证了这一点,而无定形的SLIMs可促进锂离子在电解质中的传导。3.聚合物膜SLIMs的亲水性可影响液体电解质吸液量,从而影响凝胶态电解质的离子电导率。因此,对其进行了接触角测试。分析发现,SLIMs的接触角均小于90°,证明其亲水性较高。通过电解液吸液量的测试,直观的表征了 SLIMs的吸液能力,为制备凝胶态聚合物电解质所需的浸泡的时间提供了依据。通过拉伸测试以及动态热机械分析,分别对SLIMs优良的机械性能和SLIGPEs的结构热稳定性进行了验证。4.通过阻抗测试表征了SLIGPEs在20-90℃变温电导率,结果表明,电导率随温度的变化符合阿伦尼乌斯方程规律,说明电解质的结构在20-90℃温度范围内非常稳定。通过计时电流法测试了SLIGPEs的锂离子迁移数,发现SLIGPEs的锂离子迁移数均高于传统双离子液态电解质(0.3-0.4),证明了其侧链STFSI-基团对阴离子移动具有抑制作用。此外,分别通过线性扫描伏安法和老化阻抗测试,说明其具有较宽的电化学稳定窗口和长时间稳定性。5.通过室温下、不同电流密度下的锂对称半电池充放电循环测试,表征了其动态界面稳定性以及循环稳定性。结果发现,SLIGPE-2具有相对较小的极化电势和更高的长时间循环稳定性,说明其比SLIGPE-0具有更优良的循环可逆性和稳定性。上述规律并不会因电流密度的增加而改变。并且,当电流密度为0.1mA·cm-2时,SLIGPE-0因极化电势过高而短路,而SLIGPE-2仍能正常循环超过600 h,进一步说明了侧链STFSI-基团对电池大电流下循环性能的提升。通过全电池测试表征了 LiFePO4/SLIGPEs/Li的充放电容量和倍率性能,相比于SLIGPE-0,SLIGPE-2表现出了更高的循环稳定性、充放电比容量和倍率性能。通过场发射扫描电镜表征了 0.1 C循环150圈后LiFePO4/SLIGPEs/Li中的锂金属负极,发现SLIGPE-2电池中锂金属负极表面无明显的锂枝晶的生长,而SLIGPE-0的锂金属负极表面则有明显的锂枝晶,证明了锂单离子侧链基团对抑制锂枝晶生长的显著作用。结合DFT计算,验证了侧链STFSI-基团与电解质中自由阴阳离子的作用。