『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。
