『锂电』南京邮电大学 Angew:共晶调控溶剂化结构,构筑高电导共晶基聚合物电解质
固态聚合物电解质兼具柔性与界面兼容性优势,但室温电导低、电化学窗口窄、界面相容性差三大瓶颈难以突破:1)传统 PEO 基电解质室温电导仅 10⁻⁶~10⁻⁵ S cm⁻¹,无法满足快充需求;2)高压稳定性差(<3.9 V),难以适配 NCM811 等高电压正极;3)极性基团易形成溶剂化陷阱捕获 Li⁺,离子传输受阻,界面副反应严重;4)增塑剂提升电导但大幅降低力学强度,存在固有权衡。在保持力学强度的同时,解除溶剂化陷阱、构建连续离子通路、拓宽高压窗口,是实用化固态聚合物电解质的核心难题。本研究提出离子液体调控共晶基聚合物电解质(I-EPE)策略:将丁二腈基共晶电解质引入聚二丙酮丙烯酰胺(PDA)基体,构筑连续离子传输网络;离子液体(IL)优先与 PDA 作用,形成界面溶剂化层,通过配位竞争释放 Li⁺,避免极性基团捕获;双盐体系(LiTFSI+LiDFOB)+FEC 协同构建富无机稳定 SEI,抑制锂负极副反应;实现 30 ℃离子电导率2.3 mS cm⁻¹,电化学窗口5.1 V,力学与电导同步突破。Li||Li 对称电池 0.1 mA cm⁻² 稳定循环1000 h,Li||NCM811 电池 1 C 循环 500 圈保持70.8%容量。①策略原创:首次提出配位竞争解除溶剂化陷阱,打破聚合物电解质电导–力学固有矛盾;②机制突破:揭示IL 调控溶剂化→富阴离子环境→快速 Li⁺释放高效传输新机制;③性能突破:室温电导 2.3 mS cm⁻¹+5.1 V 超宽窗口 + 1000 h 稳定锂对称电池;④实用突破:原位紫外聚合工艺,软包电池弯折、切割、按压均安全工作。图 1 共晶聚合物电解质的基本性质。(a) 聚合前后 FT-IR;(b) SN、I-EPE0.15 与 F-EPE0.15 的 XRD;(c) 不同电解质 DSC;(d) 30 ℃离子电导率;(e) I-EPE0.15 与 F-EPE0.15 电化学窗口;(f) 电化学窗口与离子电导率文献对比;(g) DFT 计算各组分 HOMO/LUMO;(h) 高压浮置测试;(i) Li⁺迁移数;(j) Arrhenius 曲线;(k) LSV 曲线。1)IL 显著抑制 SN 结晶,电解质呈无定形结构,利于离子传输;2)I-EPE0.15 实现电导与力学最优平衡,30 ℃电导达 2.3 mS cm⁻¹;3)氧化稳定性高达5.1 V,4.8 V 高压浮置稳定无明显分解。图 2 共晶聚合物电解质的溶剂化结构与离子传输机制。(a) 不同组分与 Li⁺结合能;(b) 不同组分与 PDA 结合能;(c) 不同组分与 SN 结合能;(d,e) I-EPE0.15、F-EPE0.15 的 RDF 与配位数;(f,g) I-EPE0.15、F-EPE0.15 的 MD 模拟。1)IL 与 Li⁺结合能最高(-3.01 eV),优先参与 Li⁺溶剂化鞘层;2)IL 抑制 PDA 羰基对 Li⁺的螯合捕获,释放更多自由 Li⁺;3)I-EPE0.15 中 Li⁺与 SN、TFSI⁻配位更稳定,传输势垒更低。图 3 锂对称电池电化学性能与循环后负极 XPS。(a–d) 不同组分锂对称电池电压曲线;(e) C 1s、(f) F 1s、(g) N 1s XPS 谱。1)I-EPE0.15 对称电池0.1 mA cm⁻² 稳定 1000 h,过电位仅 26 mV;2)SEI 富含 LiF、Li₃N 与咪唑鎓组分,界面更稳定;3)IL 参与 SEI 形成,显著降低副反应与界面阻抗。图 4 电解质界面性质与安全特性。(a–d) 循环后锂负极 SEM;(e) Li/I-EPE/NCM811 电池 CEI;(f,g) F-EPE 与 I-EPE 阻燃对比。1)I-EPE0.15 体系锂沉积致密无枝晶,对照体系枝晶明显;2)CEI 厚度均匀(~17 nm),界面接触稳定;3)I-EPE0.15自熄阻燃,F-EPE 持续燃烧,安全优势突出。图 5 30 ℃下固态锂金属电池电化学性能。(a) I-EPE0.15 与 F-EPE0.15 匹配 NCM811 长循环;(b) 不同圈数充放电曲线;(c) 倍率性能;(d) 不同 PDA 含量长循环;(e) 不同 PDA 含量倍率;(f) 高载量 NCM811 循环;(g) 软包电池循环;(h) 室温性能文献对比;(i) 软包电池极端条件安全测试。1)Li||NCM811 电池 1 C 循环500 圈保持 70.8%,容量 119 mAh g⁻¹;2)高载量(5.23 mg cm⁻²)仍稳定循环,0.2 C 50 圈 192 mAh g⁻¹;3)软包电池 0.3 C 循环 100 圈,弯折、折叠、切割、按压均正常供电。本研究开创溶剂化调控共晶基聚合物电解质全新路线,一次性解决固态聚合物电解质三大核心瓶颈:1)配位竞争释锂:IL 优先配位 PDA,解除羰基溶剂化陷阱,Li⁺传输更顺畅;2)共晶连续通路:丁二腈基共晶构建 3D 高速离子通道,室温电导达 2.3 mS cm⁻¹;3)双盐 + FEC 界面:原位形成富 LiF/Li₃N 致密 SEI,锂负极稳定1000 h;4)高压宽窗:氧化窗口达5.1 V,适配 NCM811 高压正极,软包安全实用。该工作建立聚合物基体–共晶电解质–溶剂化结构协同设计新范式,为高安全、高电导、长寿命固态锂金属电池提供工业化可行方案。Eutectic-Based Polymer Electrolyte With High Ionic Conductivity by Regulating Solvation for Solid-State Lithium Metal Batteries.Angewandte Chemie International Edition, 2026; https://doi.org/10.1002/anie.7290677本文内容来源于学术研究论文,版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果,仅供参考,不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题,请及时联系处理。